[发明专利]一种一维MOF@ZIF核壳结构的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种一维MOF@ZIF核壳结构的制备方法及其应用，包括如下步骤：(1)将不同MOF材料分散于乙醇水混合溶液，形成均匀悬浮液C；(2)将2‑甲基咪唑溶于乙醇水混合溶液，形成溶液D；(3)将悬浮液C置于水浴中预热到反应温度，倒入溶液D，恒温搅拌，在此过程中将发生不同晶体结构MOF间的转化，将产物离心分离，依次用乙醇和去离子水清洗，最后置于烘箱中干燥得到MOF@ZIF核壳结构粉体。这种一维核壳结构MOF@ZIF核壳结构在高温碳化、酸洗后形貌可以得到保留，获得的多孔碳@氮掺杂多孔碳，由于其独特的核壳结构和原位氮原子掺杂，表现出优异的电化学储能性能。本发明操作简单，成本低，过程易于控制与观察，成功实现了MOFs材料间的转化和形貌调控，制备的MOF@ZIF核壳结构将会具有广阔的应用前景，可用于电化学能源存储中。

技术领域

本发明属于功能纳米材料合成技术领域，具体涉及一种不同一维MOFs材料作为前驱体制备MOF@ZIF核壳结构的通用方法，并将其衍生的多孔碳@氮掺杂多孔碳用于高性能锂离子电池的负极材料。

背景技术

近年来，锂离子电池(LIBs)因为高能量密度和长循环寿命已经广泛用于便携式电子设备中。然而，传统的商业化石墨负极，由于比容量低(372mAh/g)，倍率性能差制约了锂离子电池的发展。所以开发具有高可逆容量，优异的倍率能力和循环稳定性的碳基负极材料具有重要意义。纳米结构多孔碳可以提供高储锂性能和优异的循环稳定性，因为多孔纳米结构不仅可以缩短Li⁺的传输路径，而且还可以为电荷转移反应提供大的电极/电解质界面。同时，在碳基材料中掺杂B或N元素也是提高材料电化学性能的有效途径，因为碳材料表面的这些异质原子对提高材料活性，导电性，储锂能力有着重要作用。

金属有机骨架(MOFs,Metal-Organic Framework)是一类由有机配体和金属离子配位而成的多孔晶体材料，具备孔隙率高、比表面积大、种类多、骨架大小和孔尺寸可调性强等优点。沸石咪唑脂骨架(ZIFs)作为MOF的一个分支，包含了MOF的众多优点，还具有含有N原子的优势，对其进行高温煅烧处理后，能够获得具有氮掺杂的高比表面积的材料。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种一维MOF@ZIF核壳结构的制备方法，材料制备工艺简单、成本低、可大规模化生产，潜在的应用领域广阔。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一维MOF@ZIF核壳结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)将MOF材料分散于溶剂中，形成均匀的悬浮液C；

(2)将2-甲基咪唑溶于乙醇和水的混合溶液，形成溶液D；

(3)将悬浮液C置于水浴中预热到反应温度，将C溶液加入到2-甲基咪唑溶液D中，恒温搅拌反应一段时间后，将产物离心分离，然后依次用乙醇和去离子水洗涤，最后置于烘箱中干燥得到MOF@ZIF核壳结构粉体。

优选地，步骤(1)中MOF材料为Co-BTC粉体、Zn/Co-BTC粉体、Zn/Co-MOF-74粉体中的一种；分散的溶剂为乙醇和水的混合溶液。

优选地，当MOF材料为Co-BTC时：

步骤(1)的具体过程如下：Co-BTC分散于乙醇和水的混合溶液，形成均匀的悬浮液C₁，其中，乙醇和水的体积比为19:1；

步骤(2)中乙醇和水的体积比为19:1；

步骤(3)的具体过程如下：将悬浮液C₁置于水浴中预热到24-26℃后，以体积比V_D:V_C1＝1:9倒入溶液D，恒温搅拌反应85-95min后，将产物离心分离，然后依次用乙醇和去离子水洗涤，最后置于烘箱中干燥得到MOF@ZIF核壳结构粉体。