[發明專利]一種超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201410229505.5
• 申請日: 2014-05-27
• 公開（公告）號: CN104036967B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 委福祥;蔣佳強;于跟喜;李祥人
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/46;H01G11/34
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及化學材料制備領域，尤其涉及的是一種超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極及其制備方法。

背景技術

超級電容器是一種新型儲能元件，由于具有快速儲存、釋放能量的優點，因此可以用作計算機等電子系統的備用電源，工業設備中的閃光及點火裝置，在高功率微波和激光武器以及電動汽車的混合電源等方面也有廣泛的應用前景。電極材料的結構性質對超級電容器的性能起決定作用。目前，超級電容器電極材料的研究主要集中在活性碳、碳納米管、過渡金屬氧化物及有機導電聚合物等方面。碳電極材料價格低廉，制備工藝簡單，但是比電容量較低(50～100F/g)，而金屬氧化物電極材料以水合氧化釕為代表(RuO₂·xH₂O)，通過表面發生的氧化還原可逆反應實現能量的存儲，其比電容量(720F/g)遠大于碳電極的比電容，但貴金屬的昂貴價格限制了其應用前景，導電聚合物電極材料也是通過表面氧化還原反應來實現能量儲存的，也具有較高比電容量(>200F/g)和能夠快速充放電的特點，但導電聚合物在長期充放電過程中性能不穩定，在充放電過程中會發生體積膨脹或收縮的現象，目前其研究仍處于探索性階段。

復合電極材料作為一種新型的超級電容器電極材料，能夠實現材料性能和成本的合理平衡，并且具有單一電極材料所不具備的優良性能，應用前景十分廣闊。因而受到廣泛的關注。目前的碳/金屬氧化物電極的制備主要是采用溶膠浸漬法，即先制備金屬氧化物溶膠，然后加入細顆粒的碳，充分攪拌使溶膠在碳表面均勻分布，過濾后再對溶膠進行熱處理。這樣制備的金屬氧化物一方面在碳基體中分散不均勻，另一方面在熱處理的過程中容易在碳表面聚集成大顆粒，從而會降低材料的比容量。如何獲得細小顆粒的金屬氧化物并使其均勻地分散在碳基體中，從而充分地利用金屬氧化物高贗電容的特點以及活性炭高比表面積和良好的導電性是制備高功率、高能量密度碳/金屬氧化物超級電容器電極材料的主要發展方向。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供了一種超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極及其制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極的制備方法，其步驟如下：

(1)合成zif-67

稱取0.5-1.0gCo(NO₃)₂·6H₂O溶于50ml去離子水中形成A溶液；稱取2-甲基咪唑和三乙胺(TEA)溶于50ml去離子水中形成B溶液；將A、B溶液分別超聲攪拌10min后混合；其中，Co(NO₃)₂·6H₂O，2-甲基咪唑和三乙胺(TEA)的摩爾比為1：(4-16)：(4-16)；將混合溶液在室溫下超聲攪拌反應10min后用去離子水離心清洗2-3次，置于溫度為70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到zif-67粉末；

(2)超細晶粒金屬氧化物/多孔碳復合材料的制備

將(1)中得到的zif-67粉末置于600-1000℃高溫爐中碳化2-8小時，碳化氣氛為氮氣或氬氣，得到超細晶粒金屬氧化物/多孔碳復合材料；

(3)電極制備

采用超細晶粒金屬氧化物/多孔碳復合材料作為活性物質，炭黑作為導電劑，聚四氟乙烯(PTFE)作為粘接劑，將活性物質、導電劑、粘結劑按質量比8:1:1的比例在瑪瑙研缽中研磨均勻，再加入溶劑N,N-二甲基吡咯烷酮(NMP)，充分攪拌使其混合均勻；將配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的碳紙薄片上，將電極片置于80-100℃的真空烘箱中干燥24小時，得到超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極。

所述的溶劑N,N-二甲基吡咯烷酮的量為1毫克聚四氟乙烯加0.6-2mlN,N-二甲基吡咯烷酮。

所述的制備方法制得的超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極。

所述的超細晶粒金屬氧化物/多孔碳復合材料主要適用于制備超級電容器。

本發明的制備條件溫和、工藝簡單、操作可控；所制得的超細晶粒金屬氧化物/多孔碳電極在濃度為1mol/L的NaOH電解液中充放電電流密度分別為200mA/g、500mA/g、1000mA/g和2000mA/g時，比電容分別高達220F/g、210F/g、205F/g和200F/g，充放電1000次后，比電容衰減2.8％。

附圖說明

圖1為超細晶粒金屬氧化物/多孔碳復合材料的透射電鏡圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。