[發明專利]多級孔碳電極材料及其制備方法和在柔性超級電容器中的應用

有效

• 申請號: 201810126412.8
• 申請日: 2018-02-08
• 公開（公告）號: CN108358184B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 韓正波;曹小漫
• 申請（專利權）人: 遼寧大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/24;H01G11/44
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 金春華

本發明涉及多級孔碳電極材料及其制備方法和在柔性超級電容器中的應用。多級孔碳電極材料是以納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)為前驅體，在800?1000℃，惰性氣氛下煅燒制成。與現有技術相比，本發明采用一步熱解法制備多級孔碳電極材料，工藝步驟簡單，易于操作，制得的多級孔碳電極材料具有高的比表面積，多級孔結構，并且其具有優異的電化學性能，比電容高達360F g^?1，可應用在高穩定性，高功率密度電源的場合。

技術領域

本發明屬于材料學領域，具體來說是一種金屬有機骨架材料衍生的多級孔碳材料及其制備方法和作為柔性超級電容器電極材料中的應用。

背景技術

移動電子設備(例如數碼相機、筆記本電腦、手機電源)為了滿足使用者需求，正向輕、小、柔性，甚至可折疊的趨勢發展。在眾多能源相關的器件中，超級電容器是其中重要的組成部分。超級電容器，又稱電化學電容器，是一種介于電池和傳統電容器的新型儲能設備。與傳統電容器相比，它具有高功率密度、充放電循環壽命長、庫倫效率高、安全性高、對環境友好等優點，在備用電源、新能源汽車、航空航天以及國防等領域表現出廣泛的應用前景。最近幾年，全固態柔性電容器因具有尺寸小、重量輕、易制備等優點吸引了越來越多的關注。研究者們致力于制備即可彎折又具有較大比電容的柔性超級電容器。

超級電容器由電極、隔膜、電解液等部分組成，其中電極材料是提高超級電容器的電化學性能的重要部分。研究表明，為提高超級電容器的電容量，(1)需要使電極和電解液的接觸表面積最大，在不增加電容器體積的情況下，需要采用多孔結構的材料，才能實現具有大的比表面積；(2)需要孔徑尺寸與電解液離子的尺寸能夠良好匹配，才能實現電解液離子的良好輸運，獲得較好的雙電層吸附。

近幾年，金屬有機骨架材料(MOFs)得到廣泛關注。金屬有機骨架材料是由金屬離子和有機配體自組裝構筑的一類晶態的多孔材料，具有高的比表面積、大的孔體積、可調控的粒徑及形貌。一些金屬有機骨架材料被用作前驅體或犧牲模版在一定的條件下衍生多孔碳材料，這些多級孔碳材料作為超級電容器電極材料顯示出明顯的優勢。這也是金屬有機骨架材料近幾年的研究熱點。

發明內容

針對現有活性炭電極材料存在比表面積小，比電容量低、能力密度低等問題，本發明的目的是提供一種具有大比電容量、小交流阻抗、電壓維持能力好、可彎折的多級孔碳電極材料。

本發明采用的技術方案是：多級孔碳電極材料，是以納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)為前驅體，在800‐1000℃，惰性氣氛下煅燒制成。

上述的多級孔碳電極材料的制備方法，包括如下步驟：

將鋅鹽、5-叔丁基-間苯二甲酸H₂tbip和聚乙二醇加入到水和乙二醇的混合溶液中，攪拌混合均勻，轉移至聚四氟乙烯高壓反應釜中，密封后放入烘箱中；所述的鋅鹽為硝酸鋅或乙酸鋅。

2)升溫至170-190℃，反應70-75h，緩慢冷卻到室溫，靜置至少1天后，過濾，洗滌，干燥，得納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)；升溫速度為4℃ min^-1，降溫速率為5℃ min^-1。

3)納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)在惰性氣氛中進行熱解處理，控制熱解溫度為800-1000℃，熱解時間2-3h，得多級孔碳電極材料。優選的，熱解溫度為900℃。

本發明的有益效果是：

(1)本發明，選用納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)為原料，采用一步熱解法制備多孔碳材料。該方法操作容易，設備簡單，制備過程無污染。

(2)本發明，由于納米級金屬有機骨架材料Zn(tbip)本身的有序孔道結構，使得熱解而成的多孔碳材料具有多級孔道結構，有利于電荷的積累和電解液離子的傳輸。