[發明專利]一種MOF衍生納米片插層材料及制備方法和其應用

有效

• 申請號: 201910794590.2
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110473712B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 黃愛生;劉傳耀;岳文哲;于華崢;劉嘉琴;陳芳格;郭浩
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/32;H01G11/46;H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種MOF衍生納米片插層材料及制備方法和其應用，制備包括：(1)加熱混合攪拌醋酸鈷、苯并咪唑、甲醇和甲苯溶液，加入氨水，得到二維MOF納米片Co₂bim₄，用超純水和乙醇洗滌，再于80℃下干燥24 h；(2)將所得紫色粉末以1℃/min的升溫速率升溫至350℃空氣氛圍煅燒3 h，制得多孔四氧化三鈷納米片；(3)將多孔四氧化三鈷納米片與聚乙烯亞胺分散于水中，室溫攪拌一小時后，進行冷凍干燥24 h，然后以2℃/min的升溫速率在氬氣或者氮氣氛圍下升溫至600~900℃煅燒4 h，得到MOF衍生納米片插層材料即多孔四氧化三鈷納米片?氮摻雜碳復合氣凝膠；將其制備成電極片應用在超級電容器，表現出高達2251F/g的比電容，以及良好的倍率特性，是非常有潛力的超級電容器材料。

技術領域

本發明涉及共價有機框架膜的合成方法，特別一種MOF衍生納米片插層材料及制備方法和其應用。

背景技術

隨著全球經濟的快速發展，石油煤炭的急劇消耗，以及不斷惡化的環境污染問題迫使對人們開發更高效、清潔、可持續能源以及與能源轉換與存儲的新技術提出了急切的需求。近年來各種綠色能源技術、清潔可再生的新能源技術的開發和利用受到了廣泛地關注，如電能、風能、太陽能、潮汐能等。

超級電容器是一類介于普通電容和電池之間的新型儲能元件，具有使用溫度范圍寬(-20℃至60℃)、充電時間短、輸出功率高、無污染和壽命長等優點。電極材料是決定超級電容器性能的關鍵因素之一，目前根據存儲電能的機理不同，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容器。雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料(如活性炭、碳氣凝膠、碳納米管、石墨烯等)；贗電容器也稱為法拉第準電容器，其產生機制與雙電層電容器不同，贗電容器的電極材料主要為金屬氧化物和導電高分子。這些材料的有效復合將有可能得到電化學性能優良的超級電容器電極材料。

金屬有機骨架(Metal Organic Frameworks，MOFs)材料是一類主要由含氧或氮元素的有機配體與過渡金屬離子連接而形成的多維周期性網狀骨架材料。MOFs晶體具有三維的開孔道、較高的比表面積，以及規整、可調的孔結構和孔表面等特點。MOFs材料還具有與微孔和介孔分子篩一樣擁有規則排列的孔道結構和特殊性質。此外，對MOFs材料的燒結制備的多孔碳材料和多孔金屬氧化物材料在一定程度保留了MOFs材料的豐富的孔道結構，使得這一類材料在催化、吸附、儲能等諸多領域有廣泛的應用。但MOFs材料容易發生聚集，而且金屬有機框架化合物較難均勻分散在溶劑中，限制了金屬有機框架化合物與導電高分子材料的有效復合。

氣凝膠材料是一種固體物質的形態，是世界上密度最小的固體之一，具有多孔網絡結構、巨大的比表面積、與介觀尺度可控等特點。通常氣凝膠材料為硅氣凝膠與碳氣凝膠；其中碳氣凝膠是唯一具有導電性的氣凝膠，可用于雙電層超級電容器的電極材料。但雙電層超級電容器的電容量遠不如贗電容超級電容器，從而限制了這一材料的推廣應用。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術存在的不足，提供一種MOF衍生納米片插層材料及制備方法和應用，它以二維MOF納米片材料Co₂(bim)₄為前驅體，經焙燒得到多孔四氧化三鈷納米片；利用聚乙烯亞胺(PEI)對多孔四氧化三鈷納米片材料的靜電結合力是實現有效地插層復合，再經焙燒得到多孔四氧化三鈷納米片-氮摻雜碳復合氣凝膠；所得多孔四氧化三鈷納米片-氮摻雜碳復合氣凝膠可表現出優異的電化學性能和循環穩定性，且涉及的制備方法簡單、易控，適合推廣應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種MOF衍生納米片插層材料的制備方法，首先以二維MOF納米片材料Co₂(bim)₄為前驅體，經焙燒得到多孔四氧化三鈷納米片；利用聚乙烯亞胺(PEI)對多孔四氧化三鈷納米片材料的靜電結合力是實現有效地插層復合，再經焙燒得到多孔四氧化三鈷納米片-氮摻雜碳復合氣凝膠；包括以下步驟：