CN113871213A - 一种镍钴锰mof负载氮掺杂碳量子点电极材料及其在制备超级电容器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,它由如下方法制备得到:以含氮有机碳源为前驱体进行水热反应,再经透析、干燥获得碳量子点;将钴盐和2‑甲基咪唑分别加入甲醇中,混合后老化离心,用乙醇洗涤并过滤,固体物干燥得到钴MOF模板;取碳量子点和钴MOF模板溶解于N、N‑二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中得到混合溶液体系;同时将镍盐和锰盐溶解于超纯水中,加入到所述的混合溶液体系中,混匀后进行水热反应,干燥即得。本发明还公开了上述电极材料在制备超级电容器中的应用。本发明材料既保持了MOF大的比表面积与高的赝电容,且利用碳量子点优良的导电性与高反应活性,显著提高了复合电极材料在水系电解液中的倍率性能与循环寿命。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,具体涉及一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料及其在制备超级电容器中的应用。
背景技术
超级电容器因具有功率密度高、充放电速率快、使用寿命长、热工作范围宽和成本较低等优点,在智能电网、备用电源、混合动力汽车等领域具有广阔的应用前景。根据电荷存储机制不同,超级电容器主要分为双电层电容器(EDLC)和法拉第赝电容器。与电荷在电极/电解液界面形成双电层相比,在比表面积相同的情况下,赝电容是双电层电容比容量的10~100倍。尽管如此,对于大多数赝电容材料而言,由于其本身电导率低且存在不可逆反应等原因导致功率性能和循环寿命相对较差。金属有机骨架材料(MOFs)作为一种新型的多孔材料因其孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性以及较大的比表面积而成为当前的研究热点,在催化、储能和分离中都有广泛应用。在各种金属基MOF中,镍钴锰氢氧化物因具有强的氧化还原能力、理论比电容高,作为赝电容电极材料得到广泛的研究。然而,导电性差导致电化学性能不高制约镍钴锰氢氧化物在储能领域的实际应用。通过与导电性较好的碳材料复合并优化炭材料的形貌结构能在一定程度上弥补MOFs作为电极材料本身之不足。
作为一种新型纳米材料,碳量子点自2004年通过电弧放电法制备碳纳米管同时获得的“副产物”,因其优异的光学性能、生物相容性和光稳定性等优点而被广泛研究。碳量子点是粒径在10nm以下高度分散且具有显著荧光性能的新颖零维碳纳米材料,与金属纳米点相比其具有导电性好、毒性低、表面官能化容易、原料来源广泛和制备简单等优势,使其在生物传感、药物传递和发光材料、储能等领域有着广泛应用前景。此外,碳基量子点含有丰富的边缘缺陷和含氧官能团,加上本身的小尺寸效应使其具有非常高的化学反应活性。但由于碳量子点本身产率低且易团聚,很少单独使用。目前主要通过将碳基量子点与其他材料复合作为电极材料,碳基量子点镶嵌在导电聚合物中构建高导电网络,而碳基量子点与导电聚合物之间的强相互作用可以增强聚合物电极的循环稳定性;而碳量子点与金属氧化物复合制成电极鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有MOF的倍率性能和循环稳定性相对较差的问题,提供一种具有高倍率与高比容量的一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料。
本发明还要解决的技术问题是提供上述电极材料在制备超级电容器中的应用。
为解决上述技术问题,本发明的思路是:首先选用含氮有机物作为碳前驱体通过“自下而上”一步水热反应制备出氮掺杂碳量子点(N-CDs);再通过水热反应法制备出稳定的沸石咪唑类钴基金属有机框架(ZIF-67)作为前驱体及模板,在制备镍钴锰MOF材料的同时原位复合N-CDs,最后制得用于超级电容器的MOF/N-CDs复合电极材料,在3M氢氧化钾电解液中电化学测试结果显示倍率性能比纯MOF更优异。本发明将法拉第赝电容机制与双电层电容机制协调组合于一个储能器件中,不仅显示了高的比容量,更重要的是提高了倍率性能和循环稳定性。
本发明的技术方案如下:
一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,它由如下步骤制备得到:
(1)制备氮掺杂碳量子点(N-CDs):以含氮有机碳源为前驱体在120-200℃下进行水热反应4-8小时,反应后所得溶液用透析袋于超纯水中透析24-72小时,冷冻干燥以获得碳量子点;
(2)制备钴MOF模板:将钴盐和2-甲基咪唑分别加入甲醇中,两种溶液体系混合后老化离心,用乙醇洗涤并过滤,获得紫色固体物,在40-80℃下干燥6-24h,得到钴MOF模板;
(3)制备镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料:取步骤(1)制得的碳量子点和步骤(2)制得的钴MOF模板,溶解于N、N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中得到混合溶液体系;同时将镍盐和锰盐溶解于超纯水中,然后加入到所述的混合溶液体系中,搅拌均匀后置于80-100℃(优选90℃)下进行水热反应2-4h;最后干燥制得镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料。
步骤(1)中,所述的含氮有机碳源为丙氨酸、谷氨酸或甘氨酸,优选丙氨酸,更优选L-丙氨酸。
步骤(2)中,所述的钴盐为水合氯化钴或水合硝酸钴,优选水合硝酸钴;钴盐和2-甲基咪唑在甲醇中的浓度分别为5-15g/L;钴盐和2-甲基咪唑的质量比为0.7-0.9:1。
步骤(2)中,所述的老化反应时间为24h-48h。
步骤(3)中,所述的镍盐为Ni(NO3)2·6H2O或NiCl2·6H2O,优选为Ni(NO3)2·6H2O,所述的锰盐为MnCl2·4H2O或MnSO4,优选为MnCl2·4H2O,镍盐和锰盐溶在超纯水中的浓度分别为6-10g/L。
步骤(3)中,N、N-二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为0.8-1.5:1;碳量子点和钴MOF模板的质量比为0.01-0.05:1;碳量子点在混合溶剂中的浓度为0.03-0.06g/L。
步骤(3)中,超纯水和混合溶液体系的用量体积比为0.2-0.6:1。
通过本发明方法制备得到镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其氧化物含量为10~50wt%,在3MKOH电解液中测试电化学性能显示当电流密度在1A/g时比电容约为1050F/g,随着电流密度容量保持率相对纯MOF有了较明显的提升。
上述镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,更优选按照如下步骤制备得到:
(1)制备氮掺杂碳量子点(N-CDs):取50-100毫克的丙氨酸和300-600微升乙二胺依次溶解于30mL的超纯水中超声均匀。转入50mL-200mL反应釜中,放在鼓风式加热干燥箱中,120-200℃下进行水热反应4-8小时,反应结束后自然冷却至室温;将所得棕黄色透明溶液用透析袋(MWCO 1000)于超纯水中透析24-72小时(除去过量的氨基酸等杂质);最后进行冷冻干燥以获取N-CDs固体。
(2)制备钴MOF模板:将Co(NO3)2·6H2O(582mg)和2-甲基咪唑(656mg)分别加入到50mL-100mL甲醇中,然后将两种溶液混合并用磁力搅拌器搅拌均匀。将上述溶液在室温下老化24小时,老化后进行离心(6000-9000rpm,10-30min),用乙醇洗涤并过滤,获得紫色固体物,最后在40-80℃下干燥6-24h得到ZIF-67。
(3)制备镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料:取60-100mgZIF-67和1.2-2.4mg N-CDs在20mL N、N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL乙醇的混合溶剂中溶解10-30min;同时将Ni(NO3)2·6H2O(60-100mg)和MnCl2·4H2O(60-100mg)溶解于10mL超纯水中,然后,迅速加入到上述溶液中;经过1-2h磁力搅拌后,放在反应釜中80-100℃下进行水热反应2-4h;最后在40-80℃下干燥4-10h,得到MOF/N-CDs粉末。
上述镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料在制备超级电容器中的应用也在本发明的保护范围内。
优选的具体应用方法是,按照如下重量百分比将镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料80~90wt%、导电剂5~10wt%、粘结剂5~10wt%混合均匀后,涂覆在泡沫镍或金属铝箔上,将涂覆电极材料后的泡沫镍或铝箔辊压成片并烘干,最后将电极片裁切成为长方形或圆形。
其中,所述的导电剂优选为石墨粉、炭黑或乙炔黑;所述的粘结剂优选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或水溶性橡胶。
为了表征和测试电化学性能,进一步将复合材料制备成复合电极片,所述的电极片是涂覆有MOF/N-CDs的复合材料、导电剂和粘结剂的混合物的不锈钢网片、泡沫镍片或铝箔片,所述的电解液为3M KOH。
本发明方法通过MOF/N-CDs的复合材料的结构优化和协同效应来提升电化学性能。首先采用“自下而上”的方法并选用含氮前驱体一步水热反应制备出N-CDs,然后通过水热反应制备镍钴锰MOF同时原位负载N-CDs制备MOF/N-CDs的复合电极材料;这种复合材料既保持了MOF大的比表面积与高的赝电容,同时利用碳量子点优良的导电性与高反应活性显著提高了复合电极材料在水系电解液中的倍率性能与循环寿命,而且这种方法具有一定的普适性,可应用于聚合物和金属氧化物等其他赝电容体系中。此外,本发明电极材料制备工艺简单,具有良好的应用价值。
本发明的效果益果:以高比电容MOF负载N-CDs为复合材料作为超级电容器的电极材料。MOF材料具有层次多孔结构,本身具有大的比表面积与高的赝电容,但倍率和循环性能相对较差,我们利用碳量子点优良的导电性与高反应活性,在制备MOF过程中原位负载N-CDs大大提高了复合电极在水系电解液中的倍率性能与循环寿命,而且这种方法具有一定的普适性,可应用于聚合物和金属氧化物等其他赝电容体系中。此外,本发明电极材料制备工艺简单,易于工业化应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明,本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为ZIF-67模板的扫描电镜图。
图2为MOF(镍钴锰氢氧化物)的扫描电镜图。
图3为N-CDs的扫描电镜图。
图4为MOF/5%N-CDs复合材料的扫描电镜图(a)和投射电镜图(b)。
图5为MOF与不同负载量氮掺杂碳点复合电极在不同电流密度下的比容量。
具体实施方式
实施例1
制备N-CDs:取80mg的丙氨酸和500微升乙二胺依次溶解于30mL的超纯水中超声均匀。转入50mL反应釜中,放在鼓风式加热干燥箱中,200℃下进行水热反应6小时。反应釜自然冷却至室温;将所得棕黄色透明溶液用透析袋(MWCO 1000)于超纯水中透析48小时(除去过量的氨基酸等杂质);最后进行冷冻干燥以获取N-CDs固体。
制备N-CDs电极片:将N-CDs固体、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按85wt%、10wt%、5wt%混合均匀后涂覆在泡沫镍片上,将涂覆电极材料的泡沫镍片辊压干燥后裁制成碳量子点电极片;电解液为3M KOH。
从图3和图5得知,按照上述实验步骤制得的氮掺杂碳量子点,氮掺杂碳量子点的尺寸大小为20-40nm,测得电流密度在1A/g时比电容约为80-100F/g。
实施例2
制备ZIF-67模板:将Co(NO3)2·6H2O(582mg)和2-甲基咪唑(656mg)分别加入到50mL甲醇中,然后将两种溶液混合并用用磁力搅拌器搅拌均匀。将上述溶液在室温下老化24小时。老化后进行离心(7000rpm,20min),用乙醇洗涤并过滤,获得紫色固体物,最后在70℃下干燥12h。
从图1得知,ZIF-67的配体(二甲基酰胺)表面光滑,呈现较规则的多面体结构。
实施例3
制备MOF:取80mgZIF-67溶解在20mL N、N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL乙醇的混合溶剂中搅拌分散10min;同时将Ni(NO3)2·6H2O(80mg)和MnCl2·4H2O(80mg)溶解于10mL超纯水中,然后,迅速加入到上述溶液中;经过1h磁力搅拌后,放在反应釜中90℃下进行水热反应3h;最后在60℃下干燥8h,得到MOF粉末。
制备MOF电极片:将MOF、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按85wt%、10wt%、5wt%混合均匀后涂覆在泡沫镍片上,将涂覆电极材料的泡沫镍片辊压干燥后裁制成镍钴锰MOF电极片;电解液为3M KOH。
从图2和图5得知,按照上述实验步骤制得的镍钴锰MOF材料呈现片层花状结构,具有较大的比表面积,利于电解液的浸润和扩散;通过对制得的MOF电极电化学性能测试结果显示当电流密度为1A/g时比电容约为1100F/g,但是倍率性能相对较差。
实施例4
制备MOF/N-CDs:取80mgZIF-67和1.2mg N-CDs在20mL N、N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL乙醇的混合溶剂中溶解10min。同时将Ni(NO3)2·6H2O(80mg)和MnCl2·4H2O(80mg)溶解于10mL超纯水中,然后,迅速加入到上述溶液中。经过1h磁力搅拌后,放在反应釜中90℃下进行水热反应3h。最后在60℃下干燥8h,得到MOF/N-CDs粉末。
制备MOF/N-CDs电极片:将MOF/N-CDs、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按85wt%、10wt%、5wt%混合均匀后涂覆在泡沫镍片上,将涂覆电极材料的泡沫镍片辊压干燥后裁制成MOF/0.5%N-CDs复合材料电极片;电解液为3M KOH。
从图5得知,对制得的MOF/0.5%N-CDs复合电极进行电化学性能测试,结果显示测得电流密度在1A/g时比电容约为1050F/g,随着电流密度容量保持率相对纯MOF有了较明显的提升。
实施例5
制备MOF/N-CDs:取80mgZIF-67和48mgN-CDs在20mL N、N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL乙醇的混合溶剂中溶解10min。同时将Ni(NO3)2·6H2O(80mg)和MnCl2·4H2O(80mg)溶解于10mL超纯水中,然后,迅速加入到上述溶液中。经过1h磁力搅拌后,放在反应釜中90℃下进行水热反应3h。最后在60℃下干燥8h,得到MOF/N-CDs粉末。
制备MOF/N-CDs电极片:将MOF/N-CDs、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按85wt%、10wt%、5wt%混合均匀后涂覆在泡沫镍片上,将涂覆电极材料的泡沫镍片辊压干燥后裁制成MOF/20%N-CDs复合材料电极片;电解液为3M KOH。
从图5得知,对制得的MOF/20%N-CDs复合电极进行电化学性能测试,结果显示测得电流密度在1A/g时比电容约为750F/g,相比纯MOF比容量有所下降。
实施例6
制备MOF/N-CDs:取80mgZIF-67和12mgN-CDs在20mL N、N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL乙醇的混合溶剂中溶解10min。同时将Ni(NO3)2·6H2O(80mg)和MnCl2·4H2O(80mg)溶解于10mL超纯水中,然后,迅速加入到上述溶液中。经过1h磁力搅拌后,放在反应釜中90℃下进行水热反应3h。最后在60℃下干燥8h,得到MOF/N-CDs粉末。
制备MOF/N-CDs电极片:将MOF/N-CDs、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按85wt%、10wt%、5wt%混合均匀后涂覆在泡沫镍片上,将涂覆电极材料的泡沫镍片辊压干燥后裁制成MOF/5%N-CDs复合材料电极片;电解液为3M KOH。
从图4和图5得知,按照上述实验步骤制得的MOF/5%N-CDs复合材料,通过图4a,4b的扫描和投射电镜照片发现氮掺杂碳量子点的能够均匀负载在MOF层状结构上,而且通过对比复合前后的MOF扫描电镜图发现,复合后结构保持非常完好;对制得的MOF/5%N-CDs复合电极进行电化学性能测试,结果显示测得电流密度在1A/g时比电容约为680F/g,相比纯MOF和其他负载比例的MOF复合碳量子点电极的比容量都有所下降。
本发明提供了一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料及其在制备超级电容器中的应用的思路及方法,具体实现该技术方案的方法和途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,它由如下步骤制备得到:
(1)以含氮有机碳源为前驱体在120-200℃下进行水热反应4-8小时,反应后所得溶液用透析袋于超纯水中透析24-72小时,冷冻干燥以获得碳量子点;
(2)将钴盐和2-甲基咪唑分别加入甲醇中,两种溶液体系混合后老化离心,用乙醇洗涤并过滤,获得紫色固体物,在40-80℃下干燥6-24h,得到钴MOF模板;
(3)取步骤(1)制得的碳量子点和步骤(2)制得的钴MOF模板,溶解于N、N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中得到混合溶液体系;同时将镍盐和锰盐溶解于超纯水中,然后加入到所述的混合溶液体系中,搅拌均匀后置于80-100℃下进行水热反应2-4h;最后干燥制得镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料。
2.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,步骤(1)中,所述的含氮有机碳源为丙氨酸、谷氨酸或甘氨酸。
3.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,步骤(2)中,所述的钴盐为水合氯化钴或水合硝酸钴;钴盐和2-甲基咪唑在甲醇中的浓度分别为5-15g/L;钴盐和2-甲基咪唑的质量比为0.7-0.9:1。
4.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,步骤(2)中,所述的老化反应时间为24h-48h。
5.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,步骤(3)中,所述的镍盐为Ni(NO3)2·6H2O或NiCl2·6H2O,所述的锰盐为MnCl2·4H2O或MnSO4,镍盐和锰盐溶在超纯水中的浓度分别为6-10g/L。
6.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳胶原料量子点电极材料,其特征在于,其特征在于,步骤(3)中,N、N-二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为0.8-1.5:1;碳量子点和钴MOF模板的质量比为0.01-0.05:1;碳量子点在混合溶剂中的浓度为0.03-0.06g/L。
7.根据权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料,其特征在于,其特征在于,步骤(3)中,超纯水和混合溶液体系的用量体积比为0.2-0.6:1。
8.权利要求1所述的镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料在制备超级电容器中的应用。
9.根据权利要求8中的应用,其特征在于,按照如下重量百分比将镍钴锰MOF负载氮掺杂碳量子点电极材料80~90wt%、导电剂5~10wt%、粘结剂5~10wt%混合均匀后,涂覆在泡沫镍或金属铝箔上,将涂覆电极材料后的泡沫镍或铝箔辊压成片并烘干,最后将电极片裁切成为长方形或圆形。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述的导电剂为石墨粉、炭黑或乙炔黑;所述的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或水溶性橡胶。
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