CN110357065A - 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用 - Google Patents

具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110357065A
CN110357065A CN201910635728.4A CN201910635728A CN110357065A CN 110357065 A CN110357065 A CN 110357065A CN 201910635728 A CN201910635728 A CN 201910635728A CN 110357065 A CN110357065 A CN 110357065A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanoporous carbon
preparation
high rate
cycle performance
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910635728.4A
Other languages
English (en)
Inventor
潘孝军
李小鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou University
Original Assignee
Lanzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou University filed Critical Lanzhou University
Priority to CN201910635728.4A priority Critical patent/CN110357065A/zh
Publication of CN110357065A publication Critical patent/CN110357065A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/24Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • H01G11/36Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用,该纳米多孔碳是由Fe催化ZIF‑8衍生而来的,制备方法包括以下步骤:将2‑甲基咪唑的甲醇/乙醇/水溶液与乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌的甲醇/乙醇/水溶液混合,室温搅拌24h,离心、真空干燥,在Ar保护下将固体缓慢升至800℃并保温3h,自然冷却到室温,用HCl溶液清洗黑色粉末24h,离心、真空干燥。本发明的有益之处在于:我们采用Fe催化ZIF‑8,不仅在较低的温度(800℃)下得到了高度石墨化的纳米多孔碳,而且Fe的加入更好的保持了ZIF‑8的结构,最重要的是,Fe的加入更大程度的提升了纳米多孔碳的循环性能和倍率性能,使得纳米多孔碳的电化学性能更为优异,进而使得其可用作双电层电极材料。

Description

具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及一种纳米多孔碳及其制备方法和应用,具体涉及一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用,属于材料化学技术领域。
背景技术
现有的碳基双电层电极材料主要包括:碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GO)、碳纳米纤维等,其中,碳纳米管(CNTs)主要采用CVD法大批量生产,石墨烯(GO)主要采用机械和化学剥离的方法来制备,碳纳米纤维主要采用静电纺丝及碳化的方法来制备。这些材料不但制备工艺复杂,而且成本都比较高,最关键的是,电化学性能都相对较差,不能满足现在对于高电化学性能的要求,因而限制了其在双电层电极材料中的大规模应用。
ZIF-8是一种具有超高比表面积的物质,这使得其具备成为优异双电层电极材料的潜力,但是作为一种金属有机框架材料,其在向纳米碳材料转化的过程中,并不能实现高度石墨化,过多非晶碳的存在会严重影响这种纳米衍生碳的电化学性能。也就是说,过多非晶碳的存在使得纳米衍生碳的导电性较差,进而使得其循环性能和倍率性能都受到了极大的限制,所以,即便ZIF-8具备成为优异双电层电极材料的潜力,但是其纳米衍生碳还未能成为双电层电极材料的首选。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种具有更高倍率性能和循环性能、可以用作双电层电极材料的纳米多孔碳,以及该纳米多孔碳的制备方法。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,该纳米多孔碳是由Fe催化ZIF-8衍生而来的,制备方法具体包括以下步骤:
(1)将2-甲基咪唑置于有机溶剂或水中,搅拌均匀,得到溶液A;
(2)将乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌置于有机溶剂或水中,搅拌均匀,得到溶液B。
(3)将溶液A加入到溶液B中,2-甲基咪唑、乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌的质量比为35:6:10,在室温下搅拌24h,然后离心收集固体,将固体真空干燥;
(4)在氩气保护下,将干燥后的固体加热,让固体的温度从室温5℃升至800℃,并在800℃下保温3h,之后自然冷却到室温,得到黑色粉末;
(5)在室温下,用HCl溶液清洗黑色粉末24h,然后离心收集黑色粉末,将收集到的黑色粉末真空干燥,即得ZIF-8衍生的纳米多孔碳。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,前述有机溶剂为甲醇或乙醇。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,前述有机溶剂为甲醇或乙醇。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,固体真空干燥的温度为80℃。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(4)中,使用管式炉对固体进行加热。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(4)中,固体升温采用阶梯式:第一阶段,固体的温度从室温升至350℃,升温速率为2℃·min-1;第二阶段,固体的温度从350℃升至800℃,升温速率为5℃·min-1
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(5)中,前述HCl溶液的浓度为2M。
前述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(5)中,固体真空干燥的温度为80℃。
一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳,其特征在于,由前面任意一项所述的制备方法制备得到,其可应用在双电层电极材料中。
本发明的有益之处在于:
(1)我们采用Fe催化ZIF-8,不仅在较低的温度(800℃)下得到了高度石墨化的纳米多孔碳,而且Fe的加入更好的保持了ZIF-8的结构(不加Fe碳化ZIF-8的话,会造成ZIF-8结构的坍塌),最重要的是,Fe的加入更大程度的提升了纳米多孔碳的循环性能和倍率性能,使得纳米多孔碳的电化学性能更为优异,进而使得其可以用作双电层电极材料;
(2)本发明提供的该纳米多孔碳的制备方法,工艺相对比较简单,适合大规模生产;
(3)Fe储量较为丰富,是一种廉价金属,我们利用Fe在高温下的催化活性,促使ZIF-8向高导电性和高石墨化的方向转变,进而在较低的温度(800℃)就制备得到了高性能的双电层电极材料,成本较低。
附图说明
图1(a)是在1mAg-1电流密度下样品NPC-Fe和样品NPC的恒电流充放电性能图;
图1(b)是在50mAg-1电流密度下样品NPC-Fe和样品NPC的恒电流充放电性能图;
图2是样品NPC-Fe和样品NPC的循环数据图;
图3(a)是经过Fe催化的纳米多孔碳的扫描电镜图片;
图3(b)是未经Fe催化的纳米多孔碳的扫描电镜图片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一、制备纳米多孔碳
本发明提供的纳米多孔碳是由Fe催化ZIF-8衍生而来的,其制备方法具体包括以下步骤:
(1)将3.5g 2-甲基咪唑置于25mL甲醇(乙醇或水也都可以)中,磁力搅拌均匀,得到溶液A;
(2)将0.6g乙酰丙酮铁(III)和1.0g硝酸锌置于25mL甲醇(乙醇或水也都可以)中,搅拌均匀,得到溶液B;
(3)将溶液A加入到溶液B中,2-甲基咪唑、乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌的质量比为35:6:10,在室温下搅拌24h,然后离心收集固体,将固体置于80℃的真空烘箱中干燥6h;
(4)在氩气保护下,在管式炉(型号为BTF-1200C-S,有效工作温区为100-1200℃)中将干燥后的固体加热,先让固体的温度从室温升至350℃,升温速率为2℃·min-1,然后让固体的温度从350℃再升至800℃,升温速率为5℃·min-1,之后在800℃下保温3h,最后自然冷却到室温,得到黑色粉末;
(5)在室温下,用2M HCl溶液清洗黑色粉末24h,然后离心收集黑色粉末,将收集到的黑色粉末置于80℃的真空烘箱中进行干燥,即得ZIF-8衍生的纳米多孔碳。
可见,本发明提供的该纳米多孔碳的制备方法相对比较简单,适合大规模生产。
二、测试纳米多孔碳的电化学性能
实验组:将前面制备得到的纳米多孔碳与PVDF(聚偏氟乙烯)和乙炔黑以7:2:1的质量比混合,然后以NMP(N-甲基吡咯烷酮)为溶剂搅拌成均匀的浆料,并将浆料涂覆于泡沫镍上,此样品记为NPC-Fe。
对照组:在制备纳米多孔碳时,省去乙酰丙酮铁(III)的加入,除此之外,合成和碳化过程均与前面制备纳米多孔碳的条件一致,之后将制备得到的黑色粉末与PVDF(聚偏氟乙烯)和乙炔黑以7:2:1的质量比混合,以NMP(N-甲基吡咯烷酮)为溶剂搅拌成均匀的浆料,并将浆料涂覆于泡沫镍上,此样品记为NPC。
随后我们采用电化学测试(线性循环伏安法、恒电流充放电)对样品NPC-Fe的性能进行了表征和论证。
测试工作站:型号为CS 310(Wuhan Corrtest)的电化学工作站。
测试采用三电极测试系统,工作电极为NPC,参比电极为Ag/AgCl,对电极为铂片,电解液为6M的KOH。
在1mAg-1电流密度下,样品NPC-Fe和样品NPC的恒电流充放电性能见图1(a)。
在50mAg-1电流密度下,样品NPC-Fe和样品NPC的恒电流充放电性能见图1(b)。
样品NPC-Fe和样品NPC的25000个循环的电化学性能见图2。
从图1(a)和图1(b)中我们可以明确的看出Fe修饰前后的倍率性能差距,在1mAg-1电流密度下,样品NPC-Fe和样品NPC的容量几乎相同,但是在50mAg-1电流密度下,样品NPC-Fe的容量几乎是样品NPC的容量的2.5倍。
由图2我们可以看出,25000圈后,样品NPC-Fe的电容性能仍然可以保持在最初容量的96.9%。
这充分的证明:Fe元素可以很好地促使ZIF-8在高温下向更高性能的双电层电极材料转化。
三、观察纳米多孔碳的形貌
我们用扫描电镜对经过Fe催化的纳米多孔碳和未经Fe催化的纳米多孔碳的形貌进行了观察。
经过Fe催化的纳米多孔碳的扫描电镜图片见图3(a)。
未经Fe催化的纳米多孔碳的扫描电镜图片见图3(b)。
由图3(a)和图3(b)可以看出,Fe的加入可以更大程度的保持纳米多孔碳的形貌不被破坏。
四、结论
我们采用Fe催化ZIF-8,不仅在较低的温度(800℃)下得到了高度石墨化的纳米多孔碳,而且Fe的加入更好的保持了ZIF-8的结构,最重要的是,Fe的加入更大程度的提升了纳米多孔碳的循环性能和倍率性能,使得纳米多孔碳的电化学性能更为优异,所以,本发明提供的由Fe催化ZIF-8衍生而来的纳米多孔碳可以用作双电层电极材料。
需要说明的是,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,该纳米多孔碳是由Fe催化ZIF-8衍生而来的,制备方法具体包括以下步骤:
(1)将2-甲基咪唑置于有机溶剂或水中,搅拌均匀,得到溶液A;
(2)将乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌置于有机溶剂或水中,搅拌均匀,得到溶液B;
(3)将溶液A加入到溶液B中,2-甲基咪唑、乙酰丙酮铁(III)和硝酸锌的质量比为35:6:10,在室温下搅拌24h,然后离心收集固体,将固体真空干燥;
(4)在氩气保护下,将干燥后的固体加热,让固体的温度从室温5℃升至800℃,并在800℃下保温3h,之后自然冷却到室温,得到黑色粉末;
(5)在室温下,用HCl溶液清洗黑色粉末24h,然后离心收集黑色粉末,将收集到的黑色粉末真空干燥,即得ZIF-8衍生的纳米多孔碳。
2.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述有机溶剂为甲醇或乙醇。
3.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述有机溶剂为甲醇或乙醇。
4.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,固体真空干燥的温度为80℃。
5.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(4)中,使用管式炉对固体进行加热。
6.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(4)中,固体升温采用阶梯式:第一阶段,固体的温度从室温升至350℃,升温速率为2℃·min-1;第二阶段,固体的温度从350℃升至800℃,升温速率为5℃·min-1
7.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(5)中,所述HCl溶液的浓度为2M。
8.根据权利要求1所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳的制备方法,其特征在于,在步骤(5)中,固体真空干燥的温度为80℃。
9.一种具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳,其特征在于,由权利要求1至8任意一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳在双电层电极材料中的应用。
CN201910635728.4A 2019-07-15 2019-07-15 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用 Pending CN110357065A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910635728.4A CN110357065A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910635728.4A CN110357065A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110357065A true CN110357065A (zh) 2019-10-22

Family

ID=68219243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910635728.4A Pending CN110357065A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110357065A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114614032A (zh) * 2022-03-18 2022-06-10 江苏索普化工股份有限公司 一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料及其制备方法与应用
CN114824327A (zh) * 2022-05-07 2022-07-29 江门市蓝达环保科技有限公司 一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
QINGMENG GAN ET AL.: "Zeolitic imidazolate framework-8-derived N-doped porous carbon coated olive-shaped FeOx nanoparticles for lithium storage", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 *
WEI HUANG ET AL.: "Amperometric determination of hydroquinone and catechol using a glassy carbon electrode modified with a porous carbon material doped with an iron species", 《MICROCHIMICA ACTA》 *
YIJIE DENG ET AL.: "Well-Defined ZIF-Derived Fe-N Codoped Carbon Nanoframes as Efficient Oxygen Reduction Catalysts", 《ACS APPL. MATER. INTERFACES》 *
YUANJUN CHEN ET AL.: "Isolated Single Iron Atoms Anchored on N-Doped Porous Carbon as an Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction", 《ANGEW. CHEM. INT. ED.》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114614032A (zh) * 2022-03-18 2022-06-10 江苏索普化工股份有限公司 一种甲醇燃料电池阳极复合纳米催化剂材料及其制备方法与应用
CN114824327A (zh) * 2022-05-07 2022-07-29 江门市蓝达环保科技有限公司 一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107308977B (zh) 钴氮硫共掺杂碳气凝胶双功能氧催化剂及其制备方法和应用
CN102891016B (zh) 一种钴酸镍石墨烯复合材料及其用途和制备方法
CN105642326B (zh) 一种多孔碳负载金属复合材料及其制备方法和应用
CN108940285A (zh) 一种柔性电解水催化材料的制备方法及应用
CN106904596A (zh) 基于金属有机框架化合物低温热解制备的碳纳米管组装的纳米结构材料及其制备和应用
CN109908938A (zh) 一种新型电解水阳极析氧催化剂Co@NC/CNT的制备方法
CN107221641B (zh) 一种木质素为碳源的MoS2@C复合电极材料的制备方法
CN108075128A (zh) 一种氮掺杂碳包覆钴镍硫化物/石墨烯复合电极材料
CN107447231A (zh) 一种二碲化钴电催化析氧复合材料及其制备方法和应用
CN109847778A (zh) 一种用于电解水析氧的二硫化钴/碳氮复合材料及其合成方法
CN109499600A (zh) 一种双金属氮掺杂碳/二硫化钼复合电催化剂材料、制备方法及其应用
CN104882298A (zh) 一种微波法制备NiCo2O4/石墨烯超级电容材料的方法
CN106252616A (zh) 一种硒化镍/中空碳纤维复合材料及其制备方法
CN111992228A (zh) 一种二硫化钼与碳纳米管复合材料催化剂及其制备和应用
CN106898503A (zh) 一种棒状核壳结构的钴酸镍/硫化钴镍纳米复合材料、制备方法及其应用
CN110961162B (zh) 一种催化剂载体、贵金属催化剂及其制备方法和应用
CN110212194A (zh) 一种一维mof@zif核壳结构的制备方法及其应用
CN109950560A (zh) 一种基于生物质的碳纤维负载氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法及其应用
CN108889317B (zh) Co0.1Ni0.75Se/rGO复合材料的制备方法及其应用
CN110357065A (zh) 具有更高倍率性能和循环性能的纳米多孔碳及其制备方法和应用
CN105895380A (zh) 一种三维网状聚苯胺/酚醛树脂基碳球复合材料及其制备方法
CN111804313B (zh) Fe2O3@Co9S8双中空核壳结构纳米复合材料制备方法及其应用
CN113083272A (zh) 一种FeNx纳米颗粒掺杂竹节状碳纳米管的制备方法
CN111986929A (zh) 一种锰酸钴/硫化镍核壳阵列结构电极材料的制备方法
CN112885616B (zh) 一种柔性多孔纳米材料及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191022

RJ01 Rejection of invention patent application after publication