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气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法

来源：花匠小妙招时间：2025-05-12 21:21

本发明涉及电化学，具体是一种气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法。

背景技术：

1、由于具有安全性、环境友好和水体系电导率高等优点，水系锌离子电池被认为是未来替代锂离子电池的理想候选者。然而，由于zn离子嵌入过程动力学缓慢，导致制备大容量、高能量密度和长期可循环性电极仍然是一个极具挑战性的难题。zn2+离子嵌入-脱出过程对其造成的结构破坏以及其在水体系中的部分溶解等因素阻碍了层状钒基电极材料的使用。金属离子的引入，作为支柱材料可以进一步改善层状钒氧化物的结构稳定性，同时，离子扩散速率以及电子电导率也可以被很大程度的改善。mg2+作为二价金属离子，具有和zn2+离子（0.74å）相似的离子半径（0.72å），可以作为支柱离子嵌入到钒氧层中，不仅能够稳定钒氧层的结构，其相似的尺寸可以进一步增加可嵌入zn2+离子的空间，提高其容量。

2、目前的纳米花制备方法多采用水热法。传统的水热法通常在高压下进行，这要求使用高压反应釜等设备。为了维持这种高压环境，需要消耗大量的能源。同时由于反应机理和动力学限制，水热法通常需要较长的反应时间。长时间的反应意味着需要持续供应能源，从而增加了能源消耗，同时还需要精确控制温度以确保反应的顺利进行。另外，水热过程形成纳米花结构一般需要添加额外的表面活性剂作为模板来控制纳米花的形成。

3、气溶胶喷射打印（aerosol jet printing，ajp）是一种在基材上形成和沉积气溶胶的技术，它可以适应各种油墨粘度（0.7~2500cp），可用于各种材料，打印分辨率可达到10µm。由于ajp是一种依赖于气动喷射的非接触过程，赋予其能够在曲面进行打印的能力，确保了打印过程中在非平面表面上的良好覆盖。印刷油墨通过超声波或气动雾化，产生的气溶胶液滴通过载气输送到打印头。束缚气体将携带气溶胶的载气压缩成聚焦射流，将气溶胶喷射在衬底上，同时保护墨水不受窄喷嘴壁的影响。在ajp过程中，雾化液滴可以作为一个微反应器系统，通过高度可控的、隔离的、细分的微尺度液滴，与具有温度可调的基板相结合，控制液滴的迁移、组装和蒸发，有效实现了对纳米结构的调控同时也免去了使用表面活性剂作为模板。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法。

2、本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤1、打印墨水的制备：将钒源溶液与镁盐溶液混合均匀，得到打印墨水；

4、步骤2、镁钒氧化物前驱体的制备：将打印墨水进行雾化形成液滴，进入气溶胶喷射打印装置中；以惰性气体作为载气和束缚气体，调节载气和束缚气体的聚焦比来调节喷射液滴的幅宽，液滴从打印头喷出在衬底上进行气溶胶喷射打印，得到镁钒氧化物前驱体；

5、步骤3、将镁钒氧化物前驱体在含氧气氛下进行煅烧，得到高度结晶的镁钒氧化物纳米花。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

7、（1）本发明利用气溶胶喷射打印技术制备镁钒氧化物纳米花，微尺度的气溶胶液滴可作为微反应器来控制镁钒氧化物纳米花的形成。微反应体系所形成的胶束结构以及沉积过程改善了热和质量传输，进而在相对温和的条件下也能形成纳米花结构，改善了传统的水热法对设备要求高、技术难度大、对温压控制严格的缺陷。

8、（2）本发明对温度的要求较为宽松且不需要密闭高压环境，相对于传统水热法考虑的因素更少，实验环境温和、制备更加简便、只需进行短时间的保温便可以得到高度结晶的纳米花，生产周期更短，能耗低，解决了传统水热合成法对合成的温度及压力要求较高而产生的高耗能的问题。

9、（3）本发明简单可行，采用的原材料成本较低，且打印过程简单，打印出的前驱体结构均匀，低温烧结耗能少，且获得的高结晶度镁钒氧化物纳米花呈现出优异的电化学性能，相比于传统的水热合成方法更适合批量生产，在商业应用领域有更强的应用潜力。

10、（4）相比于传统水热法的密闭环境，本发明在观察材料合成方面更直观，避免了加热时密闭反应釜中流体体积膨胀所产生的安全性问题。

11、（5）本发明得到的镁钒氧化物纳米花，其具有纳米花状结构，具有较大的比表面积，能够进一步增加电解液与电极的接触面积，进而增加zn2+离子的吸附和转移位点，提高反应动力学过程，进而改善锌离子电池的循环性能。同时，该镁钒氧化物纳米花也可用于基于嵌入式原理的二次离子电池。

技术特征：

1.一种气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤1中，钒源溶液中的钒源为乙酰丙酮氧钒；镁盐溶液中的镁盐为氯化镁、硝酸镁或硫酸镁。

3.根据权利要求1或2所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤1中，将钒源溶解在甲醇或乙醇中，配制成钒源溶液；将镁盐溶解在去离子水，配制成镁盐溶液。

4.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤1中，钒源溶液的浓度为0.5~1.5mol/l，镁盐溶液的浓度为0.5~2mol/l；打印墨水中钒的质量分数为15~20wt%，镁的质量分数为5~15wt%。

5.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤2中，雾化的工艺为超声雾化，超声频率为1.4~1.9mhz。

6.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤2中，惰性气体为氮气或氩气。

7.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤2中，束缚气体的流速为60~200sccm，载气与束缚气体的聚焦比为2~3:1；

8.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤2中，衬底为玻璃板。

9.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤3中，含氧气氛为空气气氛或氧气气氛。

10.根据权利要求1所述的气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法，其特征在于，步骤3中，煅烧温度为350~500℃，升温速率为0.5~3℃/min，保温时间为1~2h。

技术总结
本发明公开了一种气溶胶喷射打印制备镁钒氧化物纳米花的方法。首先将钒源溶液与镁盐溶液混合均匀，得到打印墨水；再以打印墨水为原料，通过气溶胶喷射打印技术打印出镁钒氧化物前驱体；然后将镁钒氧化物前驱体在含氧气氛下煅烧，得到高度结晶的镁钒氧化物纳米花。本发明利用气溶胶喷射打印技术制备镁钒氧化物纳米花，微尺度的气溶胶液滴可作为微反应器来控制镁钒氧化物纳米花的形成。微反应体系所形成的胶束结构以及沉积过程改善了热和质量传输，进而在相对温和的条件下也能形成纳米花结构，改善了传统的水热法对设备要求高、技术难度大、对温压控制严格的缺陷。

技术研发人员：范兰兰,吴欣雨,张香国,焦怡梅,曹磊
受保护的技术使用者：江西理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13