[发明专利]负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料及方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料及方法和应用，包括以下步骤：(1)将有机配体的二甲基甲酰胺溶液加入过渡金属盐及尿素的二甲基甲酰胺溶液混合均匀，(2)溶剂热反应得到凝胶状金属‑有机框架材料前驱体，(3)在恒温干燥箱烘干前驱体，随后将烘干后的前驱体在石英管管式炉中快速升温热处理，即可。相比于现已有的利用金属‑有机框架材料制备碳材料的方法，突破了前驱体形态对碳材料的限制。这种利用金属‑有机框架材料发泡制备负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料的方法，为金属‑有机框架材料的应用拓宽了新的道路。

技术领域

本发明涉及电极材料的制备，尤其涉及的是一种利用金属-有机框架材料发泡制备负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料的方法。

背景技术

金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks，MOFs)是一类由金属离子或金属簇与有机连接剂自组装形成的周期性网络状多孔材料。MOFs中的金属离子中心体与有机配体在三维空间上交替排列，将MOFs置于惰性气氛中煅烧，金属中心体转变为金属氧化物，有机配体转变为碳材料，并且煅烧后形成的复合材料还能保持原有的框架结构及微观形貌。框架结构的保持使所得复合材料具有多孔性质，有利于电解液与活性材料的接触；微观形貌的保持则使其具有微纳结构的性质，保证了较好的电化学性能，因此MOFs材料近年来在储能领域的应用受到了众多的关注

目前利用MOFs制备碳材料的方法主要是通过对MOF前驱体的高温碳化，使有机碳在高温下转变为碳单质，并能够保持前驱体的结构。目前已有各种类型的前驱体，如MIL-88为代表的纺锤型结构，ZIF-67为模板的多边形核壳结构等。这种方法得到的碳材料通常是继承了保持良好的前驱体的形态结构，这些形态结构往往难以进一步加工转变，从而得到的碳材料很大程度上受限于前驱体的结构。不仅如此，对于目标二维碳材料而言，只能通过制备二维超薄MOF前驱体再通过对其的碳化来得到。通常而言，二维超薄MOF不可避免的需要进行化学剥离和热处理过程，使得制备的材料在尺寸均一性难以保证。金属有机框架材料在经过十几年的系统研究后，在合成方法及特定结构制备方面取得了重大进展，但其严重受限于前驱体的形态特征，生产方面还有较长的路需要探究。

利用金属有机框架材料制备碳材料的方法及其衍生物旨在材料受益于MOF的有序多空结构，但由于金属氧化物或硫化物在发生电化学行为的过程中不可避免的发生体积的膨胀和收缩，使得MOF框架良好的结构会很快坍塌，从而导致性能的明显衰减。使材料二维化便可以有效的解决该问题，现已有的工艺虽然能制备出二维MOF前驱体，但其昂贵的制造成本和较低的良品率并不具有明显优势，同时也存在着产量小产率低等问题。

如何实现金属有机框架材料到二维片状纳米碳材料的转变严重限制了其规模应用，开发出一种可以利用金属-有机框架材料发泡制备负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料的方法是本领域急需解决的问题。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提供一种利用金属-有机框架材料发泡制备负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料的方法。

相比于现已有的利用金属-有机框架材料制备碳材料的方法，突破了前驱体形态对碳材料的限制。本发明实施方式利用配体与所选溶剂间的反应形成聚合物凝胶前驱体，再利用金属盐的发泡作用，通过化学发泡法原位制备一种二维碳纳米片负载金属氧化物的复合材料。本发明实施方式不仅继承了金属-有机框架材料的多孔结构而且得到了二维形态的碳纳米片负载金属氧化物的复合材料，使其表现出超高的电化学活性，运用于水系超级电容器体系中材料亲水性更好。具有绿色环保、操作简便、实验效率高、原料有效利用率高等特点。这种利用金属-有机框架材料发泡制备负载过渡金属氧化物或硫化物的二维碳材料的方法，为金属-有机框架材料的应用拓宽了新的道路。。