CN109920655A - 一种mof衍生的多孔碳电极制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无模板，且在常温下一步合成，具有高性能的二维MOF衍生碳电极材料。所述电极材料制备方法采用Zn(NO3)2·6H2O、2‑甲基咪唑、表面活性剂作为原料，一步合成然后煅烧制备具有二维结构的MOF衍生碳电极。其中2‑甲基咪唑提供N源，表面活性剂辅以增加比表面积。将MOF衍生碳电极进一步活化，可将孔结构进一步调控，使所制备电极材料结构进一步优化，形成具有合理孔分布，性能优越的电极材料。所述发明制备的电极材料，孔径分布合理，比表面积大，具有很高的比电容，解决了合成二维MOF过程中的添加模版以及有毒溶剂问题，同时，制备工艺简单方便、原材料容易获得、符合可持续发展的需要，有望在超级电容器和新能源材料领域实现大规模使用。

Description

一种MOF衍生的多孔碳电极制备方法
技术领域：
本发明涉及超级电容器和新能源材料领域，具体涉及一种高比电容金属-有机框架物(MOF)衍生碳电极的制备方法。
背景技术：
超级电容器优越的功率性能使得其在快速充放电元器件市场颇受关注，其优点也是众所周知的。尽管超级电容器的优点很多，但是实际与理想还是存在一定的差距。以提高电容储能为目标，制备出兼有高能量密度的电极材料是当前超级电容器研究的重点。其中，电极材料是超级电容器性能影响的关键因素。电极材料比电容的提升，对超级电容器能量密度的改善有重要的作用。碳电极由于其高的比电容和良好的倍率特性，成为比较理想的超级电容器电极材料。
MOF材料由于其比表面积大，具有比较丰富的可调孔结构，二维和三维MOF材料都有其特点，被越来越多的研究者作为超级电容器电极材料进行制备和性能研究。其中，二维MOF衍生多孔碳材料具有更大的比表面积和更多的活性位点，有希望提高电极比电容。目前，制备二维MOF衍生多孔碳材料的常用方法为模版法。然而该方法存在几个缺点，例如其制备需要耗时较长，需要有毒溶剂，并且进一步的处理很难维持二维结构，也难以扩大规模和商业化。因此，通过简便可持续的方法制备MOF衍生多孔碳仍然是一个需要克服的挑战。
发明内容：
鉴于上述不足之处，本发明的目的在于提供一种无模版，且在常温下一步合成，具有高性能的二维MOF衍生碳电极材料。本发明提出采用Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑、表面活性剂和KOH作为原料，一步合成制备MOF衍生碳电极，通过改变制备过程中改变一些实验参数，来调控改善多孔碳材料的比表面积和孔径分布，来提高比电容。所制备的多孔碳材料比表面积大，孔径可调节，且电化学性能优越。本发明包括如下步骤：在常温下将一定量的Zn(NO3)2·6H2O、2-甲基咪唑和表面活性剂加水搅拌，一步合成样品。然后将其用KOH活化，再加温煅烧。保温一段时间后，将样品酸洗干燥，得到MOF衍生碳材料。本发明的意义在于：所述发明提供一种可以大规模制备多孔碳电极的原料，所需原料易于得到，制备工艺简单，条件温和。通过改变制备过程中一些实验参数，如活化剂KOH的量来改善多孔碳材料的比表面积和孔径分布，来提高比电容。在常温下合成MOF后碳化活化得到产物，解决了合成二维MOF过程中的添加模版以及有毒溶剂问题，符合可持续发展的需要，有望在超级电容器和新能源材料领域实现大规模使用。
附图说明：
图1为和不同KOH比例混合条件下所制备的MOF衍生碳材料的比电容；图2为扫速为100mv时和不同KOH比例混合条件下所制备的MOF衍生碳材料的循环伏安曲线；图3为扫速为1A/g时和不同KOH比例混合条件下所制备的MOF衍生碳材料的恒电流充放电曲线。
具体实施方式：
实施例1：
首先取2gZn(NO3)2·6H2O，1g2-methylimidazole以及0.1g十二烷基苯磺酸钠和PVP的混合物溶于50ml水中搅拌，离心得到所制备的MOF材料，在管式炉中以6000C煅烧1小时，冷却以后取出得到MOF衍生碳样品。再用KOH与其1：2湿混，在管式炉中6000C煅烧1小时取出样品，将其酸洗干燥，得到KOH调控的MOF衍生碳材料。所制备的多孔碳具有较大的比表面积和孔容。所制备材料的比电容、恒电流充放电和循环伏安曲线分别入图1、图2和图3所示。
实施例2：
本实施例和实施例1基本相同，所不同的是活化剂KOH的量不同，样品与KOH的质量比为1：3。所制备材料恒电流充放电和循环伏安曲线如图2所示。
实施例3：
本实施例和实施例1基本相同，所不同的是活化剂KOH的量不同，样品与KOH的质量比为1：4。所制备材料的恒电流充放电和循环伏安曲线如图3所示。
本发明不限于以上实例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、替代，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种原料易得、没有有毒溶剂、制备过程简单的具有二维纳米片层结构的高性能MOF衍生碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述电极制备过程没有模板，常温下一步合成，所用原料没有有毒溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种MOF衍生碳电极制备方法，其特征在于：Zn(NO3)2·6H2O量的比例为10％-90％。
3.根据权利要求1和2所述的一种MOF衍生碳电极制备方法，其特征在于表面活性剂的量的比例为10％-90％，包括十二烷基苯磺酸钠和PVP的混合物，其中十二烷基苯磺酸钠和PVP的比例从0-100％。
4.根据权利要求1所述的一种MOF衍生碳电极制备方法，其特征在于2-甲基咪唑的量为10％-90％。
5.根据权利要求1-4任一项的电极制备方法用于MOF衍生碳电极材料制备中。
6.根据权利要求1-4所述的一种MOF衍生碳电极应用于超级电容器。
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