[發(fā)明專利]超級(jí)電容器用中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010526337.1
• 申請(qǐng)日: 2020-06-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111725000B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張旭;曲寧;楊仕軒;雷達(dá);田雨涵;盧旺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/30
• 分類號(hào): H01G11/30;H01G11/26;H01G11/86
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種超級(jí)電容器用中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物及其制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，該化合物在1A g?1單位下，比電容為897～1530F/g，倍率性能為62％～76％。該方法將一定量的PVP分散到一定量的DMF、乙醇和去離子水混合溶液中，加入一定量的均苯三甲酸、硝酸鈷和硝酸鎳，磁力攪拌至溶解，將溶液轉(zhuǎn)至50mL聚四氟乙烯中，在一定溫度下加熱一段時(shí)間，得到中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，低成本，具有中空球狀結(jié)構(gòu)，為活性位點(diǎn)和電解液之間提供足夠的接觸面積，可以獲得較高的比電容和倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中空結(jié)構(gòu)的鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物的制備方法及其在超級(jí)電容器方面的應(yīng)用研究。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，能源的日益消耗，提高儲(chǔ)能器件的電化學(xué)性能就顯得尤為重要。超級(jí)電容器由于高功率密度、高循環(huán)壽命和高倍率等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注。相比于雙電層電容器，贗電容電容器可以發(fā)生可逆的法拉第過(guò)程，即氧化還原反應(yīng)，因此可以提供更高的比容量和能量密度。超級(jí)電容器的電化學(xué)性能主要取決于電極材料的結(jié)構(gòu)，金屬有機(jī)骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)是由金屬離子或簇與有機(jī)分子通過(guò)配位鍵形成的一種具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型材料。MOFs中的金屬離子或簇通常是過(guò)渡金屬元素，如鋅，鈷，銅，鐵，鎳等，有機(jī)配體通常是含有氧元素和氮元素的有機(jī)組分，如羧基類和咪唑類等。由于兩種成分的多樣性，可以通過(guò)選擇合適的金屬離子和有機(jī)配體來(lái)調(diào)控MOFs的結(jié)構(gòu)，使其具有高孔隙率，大比表面積，高可控性，高比容量和倍率性能等優(yōu)點(diǎn)。

為了獲得更好的電化學(xué)性能，不同結(jié)構(gòu)的MOFs被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)，如一維的線狀結(jié)構(gòu)、二維的片狀結(jié)構(gòu)和復(fù)雜多樣的三維空間結(jié)構(gòu)。在這些電極材料中，中空結(jié)構(gòu)MOFs顯然具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。首先，中空結(jié)構(gòu)提供了較大的比表面體積，并在活性位點(diǎn)和電解液之間提供了額外的空間，以保證足夠的接觸面積。另外，中空結(jié)構(gòu)可以縮短離子和電子的擴(kuò)散距離，提高電化學(xué)性能。如胡等人利用酚酸這種弱有機(jī)酸來(lái)刻蝕MOFs，采用自上而下的策略，進(jìn)而得到表面功能化的中空結(jié)構(gòu)的MOFs，具有很好的應(yīng)用前景(Adv.Funct.Mater.2016,26,5827–5834)。但是酸的刻蝕和漫長(zhǎng)的洗滌過(guò)程，嚴(yán)重阻礙了中空結(jié)構(gòu)MOFs的實(shí)際應(yīng)用。所以，通過(guò)簡(jiǎn)單、易控、低成本的方法，制備出中空結(jié)構(gòu)的MOFs，將其應(yīng)用于贗電容超級(jí)電容器具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可用作超級(jí)電容器電極材料的中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物的制備方法，簡(jiǎn)單可控，所制備的材料具有良好的電化學(xué)性能和倍率性能。

為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超級(jí)電容器用中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物的制備方法，該方法將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和均苯三甲酸分散到DMF、乙醇和去離子水的混合溶液中后，再加入硝酸鈷和硝酸鎳，反應(yīng)得到鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物。具體步驟如下：

室溫下，將聚乙烯吡咯烷酮PVP分散到DMF、乙醇和去離子水的混合溶液中，其中，每30ml混合溶液中對(duì)應(yīng)加入1～2.5gPVP；再加入均苯三甲酸，超聲分散、溶解。所述聚乙烯吡咯烷酮與均苯三甲酸的質(zhì)量比為25:3～25:1。

再加入硝酸鈷和硝酸鎳，磁力攪拌至溶解后，將溶液轉(zhuǎn)至水熱釜中，在120～180℃溫度下加熱反應(yīng)8～16h后，過(guò)濾、采用DMF和乙醇洗滌、烘干，得到鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物。

所述的混合溶液中，DMF、乙醇和去搜索離子水的體積比為1:1:1，

所述均苯三甲酸與硝酸鈷/硝酸鎳總的摩爾比為1:1～1:4，其中，硝酸鎳與硝酸鈷的摩爾比為19:1～5:1。

一種超級(jí)電容器用中空結(jié)構(gòu)鎳鈷基雙金屬有機(jī)骨架化合物，采用上述制備方法制得，該化合物在1A g^-1單位下，比電容為897～1530F/g，倍率性能為62％～76％。