[發明專利]一種鎳鈷錳MOF負載氮摻雜碳量子點電極材料及其在制備超級電容器中的應用

有效

• 申請號: 202111149630.1
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113871213B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 申保收;黃玉婷;郭忠明
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/32;H01G11/86;H01M4/525;H01M4/505
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 肖明芳

本發明公開了一種鎳鈷錳MOF負載氮摻雜碳量子點電極材料，它由如下方法制備得到：以含氮有機碳源為前驅體進行水熱反應，再經透析、干燥獲得碳量子點；將鈷鹽和2?甲基咪唑分別加入甲醇中，混合后老化離心，用乙醇洗滌并過濾，固體物干燥得到鈷MOF模板；取碳量子點和鈷MOF模板溶解于N、N?二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶劑中得到混合溶液體系；同時將鎳鹽和錳鹽溶解于超純水中，加入到所述的混合溶液體系中，混勻后進行水熱反應，干燥即得。本發明還公開了上述電極材料在制備超級電容器中的應用。本發明材料既保持了MOF大的比表面積與高的贗電容，且利用碳量子點優良的導電性與高反應活性，顯著提高了復合電極材料在水系電解液中的倍率性能與循環壽命。

技術領域

本發明屬于材料領域，具體涉及一種鎳鈷錳MOF負載氮摻雜碳量子點電極材料及其在制備超級電容器中的應用。

背景技術

超級電容器因具有功率密度高、充放電速率快、使用壽命長、熱工作范圍寬和成本較低等優點，在智能電網、備用電源、混合動力汽車等領域具有廣闊的應用前景。根據電荷存儲機制不同，超級電容器主要分為雙電層電容器(EDLC)和法拉第贗電容器。與電荷在電極/電解液界面形成雙電層相比，在比表面積相同的情況下，贗電容是雙電層電容比容量的10～100倍。盡管如此，對于大多數贗電容材料而言，由于其本身電導率低且存在不可逆反應等原因導致功率性能和循環壽命相對較差。金屬有機骨架材料(MOFs)作為一種新型的多孔材料因其孔徑可調以及拓撲結構多樣性和可裁剪性以及較大的比表面積而成為當前的研究熱點，在催化、儲能和分離中都有廣泛應用。在各種金屬基MOF中，鎳鈷錳氫氧化物因具有強的氧化還原能力、理論比電容高，作為贗電容電極材料得到廣泛的研究。然而，導電性差導致電化學性能不高制約鎳鈷錳氫氧化物在儲能領域的實際應用。通過與導電性較好的碳材料復合并優化炭材料的形貌結構能在一定程度上彌補MOFs作為電極材料本身之不足。

作為一種新型納米材料，碳量子點自2004年通過電弧放電法制備碳納米管同時獲得的“副產物”，因其優異的光學性能、生物相容性和光穩定性等優點而被廣泛研究。碳量子點是粒徑在10nm以下高度分散且具有顯著熒光性能的新穎零維碳納米材料，與金屬納米點相比其具有導電性好、毒性低、表面官能化容易、原料來源廣泛和制備簡單等優勢，使其在生物傳感、藥物傳遞和發光材料、儲能等領域有著廣泛應用前景。此外，碳基量子點含有豐富的邊緣缺陷和含氧官能團，加上本身的小尺寸效應使其具有非常高的化學反應活性。但由于碳量子點本身產率低且易團聚，很少單獨使用。目前主要通過將碳基量子點與其他材料復合作為電極材料，碳基量子點鑲嵌在導電聚合物中構建高導電網絡，而碳基量子點與導電聚合物之間的強相互作用可以增強聚合物電極的循環穩定性；而碳量子點與金屬氧化物復合制成電極鮮有報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有MOF的倍率性能和循環穩定性相對較差的問題，提供一種具有高倍率與高比容量的一種鎳鈷錳MOF負載氮摻雜碳量子點電極材料。

本發明還要解決的技術問題是提供上述電極材料在制備超級電容器中的應用。

為解決上述技術問題，本發明的思路是：首先選用含氮有機物作為碳前驅體通過“自下而上”一步水熱反應制備出氮摻雜碳量子點(N-CDs)；再通過水熱反應法制備出穩定的沸石咪唑類鈷基金屬有機框架(ZIF-67)作為前驅體及模板，在制備鎳鈷錳MOF 材料的同時原位復合N-CDs，最后制得用于超級電容器的MOF/N-CDs復合電極材料，在3M氫氧化鉀電解液中電化學測試結果顯示倍率性能比純MOF更優異。本發明將法拉第贗電容機制與雙電層電容機制協調組合于一個儲能器件中，不僅顯示了高的比容量，更重要的是提高了倍率性能和循環穩定性。

本發明的技術方案如下：

一種鎳鈷錳MOF負載氮摻雜碳量子點電極材料，它由如下步驟制備得到：

(1)制備氮摻雜碳量子點(N-CDs)：以含氮有機碳源為前驅體在120-200℃下進行水熱反應4-8小時，反應后所得溶液用透析袋于超純水中透析24-72小時，冷凍干燥以獲得碳量子點；