[發明專利]一種M-MOF-74/石墨烯復合陰極材料的制備方法和用途

在審

• 申請號: 201811634981.X
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109638304A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 栗歡歡;王效宇;王亞平;王毅潔;陳龍;江浩斌
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于電化學領域，提供一種M?MOF?74/石墨烯復合陰極材料的制備方法和用途。一種用于鋰?空氣電池的具有高比表面積的多孔M?MOF?74/石墨烯(M＝Co,Mn,Zn,Mg,Fe)陰極復合材料制備方法，同時還提供了一種由所述復合材料制成的鋰空氣電池陰極。本發明所述的多孔M?MOF?74/石墨烯復合材料用作鋰空氣電池多孔電極時。由于將具有多且高度分散的催化活性位點的、大比表面積的、豐富孔結構的金屬有機框架材料與超高導電性的石墨烯復合，有利于空氣中的氧氣在催化劑中的擴散，具有很好的催化活性和穩定性。因此該復合材料負極用于鋰空氣電池多孔電極時，具有高的充放電容量。

技術領域

本發明屬于電化學領域，尤其是一種M-MOF-74/石墨烯復合陰極材料的制備方法和用途。

背景技術

世界汽車保有量每年數以千萬輛的增長速度，而相反的現已探明地球上的石油儲量將在50年內消耗殆盡；與此同時，汽車燃燒油料所產生的大量有毒、有害氣體也對大氣環境造成了極大的破壞。因此，清潔無污染、能量效率高和能量來源多樣化的新能源汽車成了已成為國際關注焦點及科研熱點。而對于新能源汽車來說，使用及開發清潔無污染、可再生、能量密度高的新型儲能裝置是當務之急。鋰空氣電池是近年來廣為關注的一種超高能量密度的新型電池體系。與傳統鋰離子電池相比，鋰空氣電池中放棄了鋰離子嵌入式電極，而采用鋰離子在多孔電極中直接與氧氣反應來實現化學能向電能的轉化。這使得其具有超高的理論能量密度(11140Wh kg^-1)。其中，多孔電極的性能對于鋰空氣電池的至關重要。目前多孔電極及催化劑多采用多孔碳、石墨烯、貴金屬(如鉑及鉑合金、銀)及過渡金屬氧化物等，但由于多孔碳、石墨烯的催化活性較小、過渡金屬氧化物比表面積太小，催化活性有限；貴金屬催化劑有很好的催化活性和穩定性，但由于價格昂貴很難商品化。因此開發高比表面、高催化性能的“雙功能”鋰空氣電池陰極材料是當前研究的熱點。

發明內容

針對目前鋰空氣電池中多孔電極及催化劑里存在的一些問題，本發明提供一種用于鋰-空氣電池的具有高比表面積的多孔M-MOF-74/石墨烯(M＝Fe,Co,Mn,Mg,Zn)復合陰極材料的制備方法。同時還提供了一種由所述多孔M-MOF-74/石墨烯復合材料制成的鋰空氣電池陰極。

高比表面多孔M-MOF-74/石墨烯陰極材料，其特征在于，以石墨烯為載體，金屬有機框架M-MOF-74為負載，構筑成石墨烯/M-MOF-74復合材料；M-MOF-74是過渡金屬鐵、鈷、錳、鎂、鋅與2,5-二羥基對苯二甲酸形成的化合物，其分子通式為M₂(dobdc)(M＝Fe,Co,Mn,Mg,Zn；dobdc^4-＝2,5-二羥基對苯二甲酸根)，具有蜂巢狀結構，且有裸露的金屬空配位點，因此，具有規則的多孔結構、大的比表面積，還具有有序的催化活性位點。M-MOF-74顆粒由石墨烯連接，構成連續的導電網絡。因此，該電極不僅具有規則的多孔結構、大的比表面積，還具有有序的催化活性位點及較高的導電性。

一種M-MOF-74/石墨烯復合陰極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)在溶劑A中加入石墨烯，超聲0.5～2h配制成的石墨烯溶液；

(2)將過渡金屬鹽和2,5-二羥基對苯二甲酸配體放入高壓反應釜內或者小瓶內，然后在反應釜或小瓶里加入步驟(1)制得的石墨烯溶液，劇烈攪拌、溶解，制得混合溶液B；

(3)將裝有混合溶液B的反應釜或小瓶超聲0.2～24h，然后放置1～24h；然后在25～200℃下溶劑熱反應10～72h，反應結束后，將產物洗滌，真空干燥，得到M-MOF-74/石墨烯復合陰極材料。

步驟(1)中，所述的石墨烯為氧化石墨烯、還原石墨烯或氮摻雜石墨烯中一種或多種，形態為二維或三維；所述石墨烯溶液的濃度為1～50mg/mL。

步驟(1)中，溶劑A為水、甲醇、乙醇、異丙醇、N,N二甲基甲酰胺中的一種、兩種或多種按照一定比例的混合溶劑。