CN110838413A - 一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备技术领域，提供一种一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物及其制备方法，该方法将一定量的对苯二甲酸和芳香类羧酸分散到一定量的DMF中，加入一定量的金属镍源，搅拌至溶解。放入水热釜中一定温度下反应一段时间，得到镍基金属骨架化合物。其中所述的金属镍源为氯化镍、硝酸镍和醋酸镍，所述的芳香类羧酸为均苯三甲酸、1,2,4‑苯三甲酸和1,4‑萘二甲酸。本发明制备方法简单，具有可控结构，能够与电解液充分的接触，所制备的镍基金属骨架化合物作为电极材料具有较高的比电容和倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种镍基金属骨架化合物的制备方法及其在超级电容器方面的应用研究。
背景技术
随着新能源的逐渐应用，需要进一步开发高效，清洁的电化学储能设备。在众多储能设备中，超级电容器具有高功率密度、高循环寿命和高倍率等优点而备受关注。通常，超级电容器可以根据能量存储机制的区别分为两个不同的类别，即电化学双层电容器和赝电容电容器。其中，赝电容电容器可以通过额外的可逆法拉第过程(氧化还原反应)存储能量，可以提供比纯电化学双层电容器更高的比电容和能量密度。在众多赝电容材料中，金属-有机骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)以其稳定且不发生相变，可以发生可逆的氧化还原反应等特点而被广泛关注。MOFs是一种新型的材料，具有周期性网络结构，是由金属离子或簇与刚性的有机分子配位形成的具有一定结构的结晶孔型材料。(Li D等人，CN109553779-A)其中有机配体和金属离子或团簇的排列具有明显的方向性，可以形成不同的框架孔隙结构，具有密度低、孔径尺寸可调控、孔道表面可修饰、比表面积高等优点。镍基MOFs(Ni-MOFs)已有报道应用于超级电容器中，如陈等人通过ZIF-67与硝酸镍在乙醇中回流制备了层状镍钴氢氧化物，并在超级电容器的应用中取得了较为不错的性能(Nanoscale,2013,5,11770)。
然而，目前应用于超级电容器中的Ni-MOFs也同时具有导电性能差等缺点，严重阻碍了电子和离子在其内部的传输，使得材料利用率低，进而影响其倍率性能和能量密度。为了解决这一难题，目前较为有效的技术策略是将Ni-MOFs与导电材料，比如碳材料等进行耦合。但所使用的导电材料多为非活性材料，他们的引入会显著的降低整体材料的储能能量密度，同时，二者之间接触电阻的增加也不利于其性能的提升。因此针对Ni-MOFs自身结构与特点的调控便是当前研究的重点之一，进行目前所制备的Ni-MOFs多为使用一种配体的单配体MOFs，针对自身的可调变手段不多，仅限于配体种类的选择以及配体和金属离子比例的调控，无法有效的进一步提升Ni-MOFs在电容器的性能。因此，如何在不外加导电材料复合的情况下通过MOFs制备方法的调控提升其活性面临着较大的挑战。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物的制备方法，制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。
为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物的制备方法，步骤如下：
室温下，将对苯二甲酸和芳香类羧酸分散到N,N-二甲基甲酰胺DMF中，加入一定量的金属镍源，搅拌至溶解。放入水热釜中，在120～180℃，反应10～16h，得到镍基金属骨架化合物。
所述的金属镍源为氯化镍、硝酸镍和醋酸镍。
所述的芳香类羧酸为：均苯三甲酸、1,2,4-苯三甲酸、1,4-萘二甲酸。
所述的金属镍源的摩尔量为：每40mL DMF中含有2～4mmol金属镍源，所述金属镍源与对苯二甲酸加上芳香类羧酸之和的摩尔比为1:1～4:1，其中对苯二甲酸与芳香类羧酸的摩尔比为9:1～6:4。
一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物由上述制备方法制备得到的。
一种镍基金属骨架化合物应用于超级电容器。
本发明的有益效果是：1)制备方法简单，可控性强，材料具有较高的电子迁移率；2)具有可控结构的产品能够与电解液充分的接触；3)具有较高的比电容和倍率性能。
附图说明
图1是实施例3的镍基金属骨架化合物扫描照片图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
将2mmol的醋酸镍、1.6mmol对苯二甲酸和0.4mmol的1,2,4-苯三甲酸溶解在40mlDMF中，放入水热釜中140℃下反应14h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为673F/g，在10A/g可以达到430F/g，倍率保持为63.9％。
实施例2
将3mmol的氯化镍、1.8mmol对苯二甲酸和0.2mmol的均苯三甲酸溶解在40ml DMF中，放入水热釜中120℃下反应14h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为735F/g，在10A/g可以达到446F/g，倍率保持为65％。
实施例3
将3mmol的硝酸镍、1.6mmol对苯二甲酸和0.4mmol的均苯三甲酸溶解在40ml DMF中，放入水热釜中160℃下反应16h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为837F/g，在10A/g可以达到586F/g，倍率保持为70％。
实施例4
将3mmol的硝酸镍、1.4mmol对苯二甲酸和0.6mmol的1,4-萘二甲酸溶解在40mlDMF中，放入水热釜中180℃下反应10h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为632F/g，在10A/g可以达到410F/g，倍率保持为64.9％。
实施例5
将4mmol的氯化镍、0.8mmol对苯二甲酸和0.2mmol的1,2,4-苯三甲酸溶解在40mlDMF中，放入水热釜中180℃下反应12h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为756F/g，在10A/g可以达到468F/g，倍率保持为62.4％。
实施例6
将4mmol的醋酸镍、1.2mmol对苯二甲酸和0.8mmol的均苯三甲酸溶解在40ml DMF中，放入水热釜中160℃下反应14h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为803F/g，在10A/g可以达到514F/g，倍率保持为64％。
实施例7
将2mmol的氯化镍、1.8mmol对苯二甲酸和0.2mmol的1,4-萘二甲酸溶解在40mlDMF中，放入水热釜中160℃下反应12h，用无水乙醇离心洗涤三次，并在50℃下干燥12h，得到镍基金属骨架化合物。在6M KOH溶液的三电极测试体系中，最终在1A/g的恒电流条件下，比电容为580F/g，在10A/g可以达到406F/g，倍率保持为70％。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
室温下，将对苯二甲酸和芳香类羧酸分散到N,N-二甲基甲酰胺DMF中，加入一定量的金属镍源，搅拌至溶解；放入水热釜中，在120～180℃，反应10～16h，得到镍基金属骨架化合物；
所述的金属镍源的摩尔量为：每40mL DMF中含有2～4mmol金属镍源，所述金属镍源与对苯二甲酸加上芳香类羧酸之和的摩尔比为1:1～4:1，其中对苯二甲酸与芳香类羧酸的摩尔比为9:1～6:4。
2.根据权利要求1所述的一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物的制备方法，其特征在于，所述的金属镍源为氯化镍、硝酸镍和醋酸镍。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物的制备方法，其特征在于，所述的芳香类羧酸为：均苯三甲酸、1,2,4-苯三甲酸、1,4-萘二甲酸。
4.一种应用于超级电容器的镍基金属骨架化合物，其特征在于，镍基金属骨架化合物由权利要求1-3任一所述的制备方法制备得到的。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200225 |