[发明专利]一种普鲁士蓝类似物及其制备和作为钾或镁离子超级电容器阴极材料的应用

说明书

本发明公开了一种普鲁士蓝类似物及其制备方法和应用，该普鲁士蓝类似物的分子式为K_xMg_yCo[Fe(CN)₆]_z·mH₂O。本发明的普鲁士蓝类似物结构中含有两种碱金属离子，即钾离子和镁离子，可以同时作为两种不同离子的超级电容器(钾离子超级电容器或镁离子超级电容器)的阴极材料使用，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种作为钾或镁离子超级电容器阴极材料的普鲁士蓝类似物及其制备方法，属于能源材料领域。

背景技术

在过去的30年中，锂离子电池作为化学电源得到了充分发展，但是其在充放电速度上仍有难以突破的局限性。而超级电容器具有高功率(快速充放电)特性，但是其能量密度较低，且研究仍主要集中在半电池层面，很多新材料不能适应全电池的要求，对电极也往往采用多孔碳电极或者碱金属，使得整个器件实用性大大降低。为了克服这些缺点，普鲁士蓝材料被提出来。

普鲁士蓝(PB)及其类似物(PBAs)为金属-有机骨架结构，具有较大的间隙空间和三维的通道，这有利于阳离子的嵌入和脱嵌。近年来，人们在PB材料的化学稳定性和电化学性能方面做了许多努力。过渡金属元素Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等的化合物都被尝试与亚铁氰化钠反应，合成了普鲁士蓝类似物。在这些化合物中MnHCF和CoHCF等具有电化学活性，展现出了较高的比容量。但是由于结构不稳定，容易在嵌脱钠离子的过程中发生塌陷和钠离子堵塞通道的情况，所以循环性能不佳。也有如NiHCF和CuHCF等循环性能虽然很好，但是因为材料中的过渡金属元素不能提供电子转移，导致材料的容量较低。开发含有新的过渡金属元素的普鲁士蓝类似物以谋求获得更好性能的电极材料是普鲁士蓝及其类似物材料发展的一个方向。为了提升材料性能，共掺杂入材料中两种过渡金属元素也将是一种有效地手段。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种普鲁士蓝类似物及其制备方法和作为钾或镁离子超级电容器阴极材料的应用，旨在开发含有新的过渡金属元素的普鲁士蓝类似物以谋求获得更好性能的电极材料。

为实现发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先公开了一种普鲁士蓝类似物，所述普鲁士蓝类似物用于作为钾离子超级电容器或镁离子超级电容器阴极材料，其特点在于：所述普鲁士蓝类似物的分子式为K_xMg_yCo[Fe(CN)₆]_z·mH₂O，其中：0.33≤x≤3，0≤y≤1.33，0.08≤z≤0.75，m≤6。为了使材料兼具高容量和良好的电化学稳定性，本发明分别将镁、钴元素，按照一定的配比合成了普鲁士蓝类似物并将其应用于钾、镁离子电容器阴极材料。

本发明还提供上述普鲁士蓝类似物的制备方法，包括以下步骤：

1)将三水合亚铁氰化钾溶解于去离子水中，制得溶液A，并置于阴暗处避光；

2)将无水氯化钴溶解于去离子水中，超声分散均匀，得到溶液B；将六水合氯化镁溶解于去离子水中，超声分散均匀，得到溶液C；

3)在反应容器中加入搅拌子，将所述溶液A缓慢地加入反应容器中，并置于磁力搅拌器上开始搅拌；然后将所述溶液B逐滴加入反应容器中进行共沉淀反应，滴加完成后继续反应10min；再以相同的流速将溶液C逐滴加入到反应容器中，滴加完成后继续反应0.5h；

4)反应完成后，将所得悬浊液离心分离，所得产物经洗涤、烘干，即获得目标产物普鲁士蓝类似物。

进一步地，三水合亚铁氰化钾、无水氯化钴及六水合氯化镁的摩尔比满足于c_K⁺+2c_Mg²⁺＝3c_Co²⁺。