[發明專利]一種基于ZIF-8摻雜鎳、鈷的多孔碳復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810707466.3
• 申請日: 2018-07-02
• 公開（公告）號: CN108831756B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 鄒勇進;殷瑩;向翠麗;徐芬;孫立賢
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/46;H01G11/38;H01G11/86
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

本發明公開了一種基于ZIF?8摻雜鎳、鈷的多孔碳復合材料，由ZIF?8材料摻雜Co、Ni離子后，進行高溫煅燒、去除ZnO制得。以摻雜了鎳、鈷的ZIF?8材料為前驅體，采用一步煅燒法，將鎳、鈷氧化物均勻地分散在多孔碳的孔道內。其制備方法包括：1）將ZIF?8加入NiSO₄和CoSO₄的混合溶液中攪拌反應，得到前驅體；2）將前驅體煅燒；3）用強堿溶液去除ZIF?8中殘余的ZnO。作為超級電容器電極材料的應用，比電容為1500~2000 F/g。本發明不僅表現出雙電層電容性能，而且表現出法拉第電容性能，因而用于超級電容器的電極材料表現出良好的性能。

技術領域

本發明涉及超級電容器技術領域，具體涉及一種基于Zif-8摻雜鎳、鈷的多孔碳復合材料的制備及在超級電容器領域的應用。

背景技術

金屬有機框架化合物（簡稱MOFs）是一種由過渡金屬與有機配體通過自組裝過程而具有特殊孔道結構的納米多孔新型材料。MOFs具有高比表面積、規則孔道結構的特點，在電化學領域有著廣泛地應用前景。類沸石咪唑框架（ZIFs）是MOFs的一種子類，既具有上述MOFs的優點又具有較高的穩定性。金屬有機框架化合物材料ZIF-8具有良好的化學穩定性、超高的比表面積和超大的孔體積等特點，使其成為制備超級電容器多孔碳的理想前驅體。

作為超級電容器電極的碳材料，其超級電容性能主要受比表面積、孔徑分布、表面官能團等因素的影響。選擇不同的前驅體或者制備工藝，可以在碳材料表面上生成不同種類和濃度的有機官能團。在電極充放電過程中，電極材料中含的有機官能團可以發生可逆的氧化還原反應貢獻贗電容，從而影響了超級電容器的性能。碳材料表面的官能團不僅可以提高碳材料的表面浸潤性，還可以發生法拉第反應產生贗電容，從而給碳材料貢獻更多的比電容，官能團的準電容效應對碳材料貢獻的比電容的有時可高達50%以上。

MOFs的結構多樣性為多孔碳合成提供了充足的原料和研究空間，其中ZIF-8為MOFs材料的典型代表。以ZIF-8為前驅體制備多孔碳具有明顯的優勢：

第一，比表面積大，可以有效吸附金屬離子到ZIF-8的孔道中。然后在惰性氣體中，可直接碳化生成碳;；

第二，ZIF-8呈固態晶體狀，在碳化過程中，碳源穩定，不易揮發，從而確保了轉化過程的高效性；

第三，ZIF-8晶體顆粒小、形貌能夠得到有效的調控。

因此，能夠訂制不同尺寸和形貌的納米多孔碳; 第四，無去模板過程，模板在轉化過程中自動轉化為目標產物。

此外，在多孔碳中負極過渡金屬氧化物也可以有效提高材料的比電容，由于過渡金屬氧化物在電極界面所產生的法拉第贗電容遠大于碳材料的雙電層電容。過渡金屬氧化物通常具有多重氧化態，可以通過在電極表面的氧化還原反應來提供贗電容，是近年來備受關注的一種超級電容器電極材料。然而，過渡金屬氧化物的實際比電容比理論比電容要低的多，這主要是因為過渡金屬氧化物導電性差，而且在充放電的過程中體積容易發生變化，從而導致材料的穩定性下降。通過碳摻雜可以有效改善過渡金屬氧化物材料的導電性，提高電子在材料內部的傳輸效率，確保對過渡金屬氧化物的氧化還原反應的充分利用。

現在已有的報道中，有選用ZIF-67作為前驅體摻雜鎳后通過一步熱處理形成碳包覆Ni-Co納米雜化結構的雜化體，由于其金屬粒子無法和ZIF-67得到很好的融合，因此表現出較差的電化學性能，在1 A/g的電流密度下比電容僅有236 F/g（參考文獻：Junjie Qiu，Engao Dai， Jiao Xu， Shucheng Liu， Yi Liu. Functionalized MOFs-controlledformation of novel Ni-Co nanoheterostructure@carbon hybrid as the electrodesfor supercapacitor. Materials Letters 216 (2018) 207–211）。