[發(fā)明專利]金屬有機骨架與納米纖維衍生的復(fù)合電極及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113270275B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐嵐;葉成偉;劉福娟;魏凱;王萍
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/36;H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 蘇州謹和知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32295
• 代理人: 唐靜芳

本申請涉及一種金屬有機骨架(MOFs)與納米纖維衍生的碳基復(fù)合電極材料的制備方法，先將金屬鹽混紡在聚丙烯腈(PAN)與聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的納米纖維膜中，然后先將納米纖維膜浸漬在有機配體中溶液，再將金屬鹽溶液倒入其中，該方法有利于MOFs先在纖維表面快速成核，進而促進納米纖維膜表面納米片的生長；同時PVP作為一種有效的表面活性劑可以穩(wěn)定MOFs在PAN基纖維上的成核作用，促進形成均勻且致密涂層，該制備方法省時高效、材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可控、同時制備的電極材料具有獨特的形貌和高的比表面積和比電容且具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬有機骨架與納米纖維衍生的復(fù)合電極及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著污染加劇和傳統(tǒng)能源枯竭以及世界人口不斷增長，自上世紀末以來，世界對能源的需求量越來越大，面對著能源危機和環(huán)境問題，新型可再生能源的發(fā)展刻不容緩。超級電容器作為一種新型綠色儲能器件具有遠高于傳統(tǒng)電容器的能量密度和較高的功率密度，同時具有充電時間短、充放電速率高和循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在軍事、航空航天、國防、通訊設(shè)備以及電動汽車等領(lǐng)域。電極材料作為超級電容器中最重要的組成部分，對改善超級電容器的性能起到關(guān)鍵作用。超級電容器的電極材料應(yīng)具有大的比表面積，能夠擴大電荷的存儲提高超級電容器的比電容；小的內(nèi)阻，導(dǎo)電性好有利于電子的快速傳輸；不與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以保持長期穩(wěn)定性的特點。

金屬有機骨架(MOFs)作為一種具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的新型納米多孔材料，具有高孔隙率、大的比表面積、孔道規(guī)則且孔徑可調(diào)、孔表面易功能化、結(jié)構(gòu)多樣行等優(yōu)點。近些年來，多孔MOFs材料及其衍生物逐漸被應(yīng)用到電化學(xué)儲能領(lǐng)域，如理離子電池、燃料電池及超級電容器等。一方面MOFs具有豐富的相互貫穿型孔道結(jié)構(gòu)，便于離子的傳輸；另一方面，MOFs屬于晶態(tài)材料，具有高度有序的結(jié)構(gòu)，活性位點分散均勻，裸露的活性位點能夠促進能量儲存過程的加快，可有效實現(xiàn)超級電容器電化學(xué)儲能性能的提升。然而MOFs自身的導(dǎo)電性比較差，不利于電子的快速傳導(dǎo)，限制了超級電容器電化學(xué)性能的進一步提高。慶幸的是靜電紡碳納米纖維材料具有良好的導(dǎo)電性能且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可作為MOFs的有效支撐載體。因此MOFs與納米纖維衍生的碳基復(fù)合超級電容器電極材料制備方法的研究變得尤為重要。先前采用混紡的方法將MOFs直接混紡到碳納米纖維中，這種方法使纖維表面MOFs的負載較少且分布不均勻，難以在纖維表面形成致密的MOFs涂層。而直接將碳納米纖維膜浸漬在生長液中會導(dǎo)致MOFs沉積，不利于其沿纖維表面生長。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種金屬有機骨架與納米纖維衍生的復(fù)合電極的制備方法，該制備方法省時高效、材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可控、且同時制備的電極材料具有獨特的形貌和高的比表面積。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種金屬有機骨架與納米纖維衍生的復(fù)合電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、將聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和金屬鹽加入到第一溶劑中，攪拌溶解得到紡絲溶液，其中，所述聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和金屬鹽的質(zhì)量比為1：1：1，所述第一溶劑為N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺，所述金屬鹽為乙酸鋅或乙酸鈷；

S2、將所述紡絲溶液通過靜電紡絲得到納米纖維膜，并將所述納米纖維膜干燥10-15h；

S3、將有機配體溶于水中，得到0.05-0.2mol/L的有機配體溶液，將150-300mg所述納米纖維膜浸泡在50-100mL所述有機配體溶液中1-3min；

S4、向所述有機配體溶液中加入等體積含有0.5-1.0mol/L硝酸鋅或硝酸鈷溶液，搖晃2-10min，而后靜置40-80min，在納米纖維膜表面原位生成MOFs；

S5、將表面沉積MOFs的納米纖維膜進行干燥，然后在惰性氣體氛圍下進行碳化，得到金屬有機骨架與納米纖維衍生的復(fù)合電極，其中，所述碳化的過程為：以1-3℃/min的速率升至240-280℃保溫2-8h，再以5-10℃/min的速率升至800-1000℃保溫2h。