[发明专利]一种基于ZIF-8掺杂镍、钴的多孔碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于ZIF‑8掺杂镍、钴的多孔碳复合材料，由ZIF‑8材料掺杂Co、Ni离子后，进行高温煅烧、去除ZnO制得。以掺杂了镍、钴的ZIF‑8材料为前驱体，采用一步煅烧法，将镍、钴氧化物均匀地分散在多孔碳的孔道内。其制备方法包括：1）将ZIF‑8加入NiSO₄和CoSO₄的混合溶液中搅拌反应，得到前驱体；2）将前驱体煅烧；3）用强碱溶液去除ZIF‑8中残余的ZnO。作为超级电容器电极材料的应用，比电容为1500~2000 F/g。本发明不仅表现出双电层电容性能，而且表现出法拉第电容性能，因而用于超级电容器的电极材料表现出良好的性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种基于Zif-8掺杂镍、钴的多孔碳复合材料的制备及在超级电容器领域的应用。

背景技术

金属有机框架化合物（简称MOFs）是一种由过渡金属与有机配体通过自组装过程而具有特殊孔道结构的纳米多孔新型材料。MOFs具有高比表面积、规则孔道结构的特点，在电化学领域有着广泛地应用前景。类沸石咪唑框架（ZIFs）是MOFs的一种子类，既具有上述MOFs的优点又具有较高的稳定性。金属有机框架化合物材料ZIF-8具有良好的化学稳定性、超高的比表面积和超大的孔体积等特点，使其成为制备超级电容器多孔碳的理想前驱体。

作为超级电容器电极的碳材料，其超级电容性能主要受比表面积、孔径分布、表面官能团等因素的影响。选择不同的前驱体或者制备工艺，可以在碳材料表面上生成不同种类和浓度的有机官能团。在电极充放电过程中，电极材料中含的有机官能团可以发生可逆的氧化还原反应贡献赝电容，从而影响了超级电容器的性能。碳材料表面的官能团不仅可以提高碳材料的表面浸润性，还可以发生法拉第反应产生赝电容，从而给碳材料贡献更多的比电容，官能团的准电容效应对碳材料贡献的比电容的有时可高达50%以上。

MOFs的结构多样性为多孔碳合成提供了充足的原料和研究空间，其中ZIF-8为MOFs材料的典型代表。以ZIF-8为前驱体制备多孔碳具有明显的优势：

第一，比表面积大，可以有效吸附金属离子到ZIF-8的孔道中。然后在惰性气体中，可直接碳化生成碳;；

第二，ZIF-8呈固态晶体状，在碳化过程中，碳源稳定，不易挥发，从而确保了转化过程的高效性；

第三，ZIF-8晶体颗粒小、形貌能够得到有效的调控。

因此，能够订制不同尺寸和形貌的纳米多孔碳; 第四，无去模板过程，模板在转化过程中自动转化为目标产物。

此外，在多孔碳中负极过渡金属氧化物也可以有效提高材料的比电容，由于过渡金属氧化物在电极界面所产生的法拉第赝电容远大于碳材料的双电层电容。过渡金属氧化物通常具有多重氧化态，可以通过在电极表面的氧化还原反应来提供赝电容，是近年来备受关注的一种超级电容器电极材料。然而，过渡金属氧化物的实际比电容比理论比电容要低的多，这主要是因为过渡金属氧化物导电性差，而且在充放电的过程中体积容易发生变化，从而导致材料的稳定性下降。通过碳掺杂可以有效改善过渡金属氧化物材料的导电性，提高电子在材料内部的传输效率，确保对过渡金属氧化物的氧化还原反应的充分利用。

现在已有的报道中，有选用ZIF-67作为前驱体掺杂镍后通过一步热处理形成碳包覆Ni-Co纳米杂化结构的杂化体，由于其金属粒子无法和ZIF-67得到很好的融合，因此表现出较差的电化学性能，在1 A/g的电流密度下比电容仅有236 F/g（参考文献：Junjie Qiu，Engao Dai， Jiao Xu， Shucheng Liu， Yi Liu. Functionalized MOFs-controlledformation of novel Ni-Co nanoheterostructure@carbon hybrid as the electrodesfor supercapacitor. Materials Letters 216 (2018) 207–211）。