[发明专利]一种碳基复合材料的制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种复合的空心材料的制备方法。本发明采用液相外延生长法在棉布上生长金属有机框架薄膜，然后煅烧。该方法具有合成速度快、制备效率高、薄膜厚度可控、环保、成本低、以及操作简单等优点，为其大规模的制备提供了一种便捷的方法。由于所得的碳基复合材料为空心结构，导电性较好，便于电子的扩散和传输。其在超级电容器和其他电化学领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于超级电容器材料制备技术领域，涉及一种在棉布表面修饰金属有机框架(MOFs)薄膜，热处理后具有空心结构的碳基复合材料的制备方法和用途。

背景技术

随着全球经济的快速发展，化石燃料的急剧减少以及环境污染的日益扩大，寻求一种利用率高，清洁，可持续发展的能源或技术显得至关重要。近几年，由于超级电容器具有高的能量密度，长的循环寿命等优势，因此一直受到科学家的关注。

超级电容器的性质除了与活性物质的种类有关外，还与集流体的种类有关。目前常用的集流体主要有泡沫镍和碳布。泡沫镍效果很好但由于其成本较高，不适合大规模使用，而碳布价格低廉但是效果较差。

因此，目前迫切需要一种新的超级电容器材料的制备方法，使制备得到的材料既能够节省集流体材料的成本又可以有效地提高超级电容器的性能。

发明内容

本发明的目的旨在一方面改进原先碳布的性能，另一方面提供一种具有空心结构，成本低廉，绿色的碳基复合材料的制备方法和用途。本发明采用液相外延生长法将金属有机框架(metal-organic frameworks，简称“MOFs”)生长在棉布上，再采用高温煅烧方法，将其中的棉布转变成具有空心结构的碳布，将MOFs转变成可以作为电容器电极材料的活性物质，通过二者的优势互补提高超级电容器的性能。该方法能够精确地控制MOFs的含量及厚度均一性、面积，合成效率高。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有空心结构的碳基复合材料的制备方法，包括：1)采用液相外延生长法在棉布上生长MOFs薄膜；2)然后将步骤1)中得到的材料在400-900℃温度下进行煅烧。

根据本发明，在步骤1)中，

所述MOFs(Metal-Organic Frameworks，MOFs)，是以金属离子为配位中心，通过与有机配体配位形成的具有一定空间结构的配合物，又称为MOFs孔材料。所述MOFs例如可为均苯三甲酸铜的MOFs(HKUST-1)、二甲基咪唑锌的MOFs(ZIF-8)、二甲基咪唑钴的MOFs(ZIF-67)或对苯二甲酸铜的MOFs(MOF-2)。

在棉布上形成MOFs薄膜的方法例如包括如下步骤：将金属盐溶液和有机配体溶液依次浸泡棉布，在棉布上形成MOFs薄膜。

优选地，将金属盐溶液和有机配体溶液依次浸泡棉布，通过液相外延生长法在棉布上形成MOFs薄膜层，之后重复上述步骤，得到带有MOFs薄膜的棉布。优选地，采用循环泵的方法依次浸泡棉布。

根据本发明，所述金属盐溶液和有机配体溶液的溶剂选自无机或有机溶剂，优选为不影响MOFs或有机配体稳定的无机或者有机溶剂，如醇类溶剂，例如甲醇、乙醇、异丙醇或含有二甲基甲酰胺的甲醇、乙醇或者异丙醇。

根据本发明，所述金属盐可为过渡金属或稀土金属盐，例如可以是醋酸铜、醋酸锌、醋酸钴、硝酸铜或硝酸锌中的一种或多种。

其中，所述金属盐溶液的浓度例如可以为0.1至2.0mmol/L，优选为0.5至1.0mmol/L。

根据本发明，所述有机配体可为具有羧酸官能团的配体或者含咪唑基的配体等。所述有机配体例如可以选自均苯三甲酸、二甲基咪唑、对苯二甲酸、樟脑酸或4,4'-联苯二甲酸中的一种或多种等。