[发明专利]金属有机骨架与纳米纤维衍生的复合电极及其制备方法

说明书

本申请涉及一种金属有机骨架(MOFs)与纳米纤维衍生的碳基复合电极材料的制备方法，先将金属盐混纺在聚丙烯腈(PAN)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的纳米纤维膜中，然后先将纳米纤维膜浸渍在有机配体中溶液，再将金属盐溶液倒入其中，该方法有利于MOFs先在纤维表面快速成核，进而促进纳米纤维膜表面纳米片的生长；同时PVP作为一种有效的表面活性剂可以稳定MOFs在PAN基纤维上的成核作用，促进形成均匀且致密涂层，该制备方法省时高效、材料的结构稳定可控、同时制备的电极材料具有独特的形貌和高的比表面积和比电容且具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种金属有机骨架与纳米纤维衍生的复合电极及其制备方法。

背景技术

随着污染加剧和传统能源枯竭以及世界人口不断增长，自上世纪末以来，世界对能源的需求量越来越大，面对着能源危机和环境问题，新型可再生能源的发展刻不容缓。超级电容器作为一种新型绿色储能器件具有远高于传统电容器的能量密度和较高的功率密度，同时具有充电时间短、充放电速率高和循环使用寿命长等优点，被广泛应用在军事、航空航天、国防、通讯设备以及电动汽车等领域。电极材料作为超级电容器中最重要的组成部分，对改善超级电容器的性能起到关键作用。超级电容器的电极材料应具有大的比表面积，能够扩大电荷的存储提高超级电容器的比电容；小的内阻，导电性好有利于电子的快速传输；不与电解液发生化学反应以保持长期稳定性的特点。

金属有机骨架(MOFs)作为一种具有特殊孔道结构的新型纳米多孔材料，具有高孔隙率、大的比表面积、孔道规则且孔径可调、孔表面易功能化、结构多样行等优点。近些年来，多孔MOFs材料及其衍生物逐渐被应用到电化学储能领域，如理离子电池、燃料电池及超级电容器等。一方面MOFs具有丰富的相互贯穿型孔道结构，便于离子的传输；另一方面，MOFs属于晶态材料，具有高度有序的结构，活性位点分散均匀，裸露的活性位点能够促进能量储存过程的加快，可有效实现超级电容器电化学储能性能的提升。然而MOFs自身的导电性比较差，不利于电子的快速传导，限制了超级电容器电化学性能的进一步提高。庆幸的是静电纺碳纳米纤维材料具有良好的导电性能且结构稳定，可作为MOFs的有效支撑载体。因此MOFs与纳米纤维衍生的碳基复合超级电容器电极材料制备方法的研究变得尤为重要。先前采用混纺的方法将MOFs直接混纺到碳纳米纤维中，这种方法使纤维表面MOFs的负载较少且分布不均匀，难以在纤维表面形成致密的MOFs涂层。而直接将碳纳米纤维膜浸渍在生长液中会导致MOFs沉积，不利于其沿纤维表面生长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属有机骨架与纳米纤维衍生的复合电极的制备方法，该制备方法省时高效、材料的结构稳定可控、且同时制备的电极材料具有独特的形貌和高的比表面积。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属有机骨架与纳米纤维衍生的复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和金属盐加入到第一溶剂中，搅拌溶解得到纺丝溶液，其中，所述聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和金属盐的质量比为1：1：1，所述第一溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺，所述金属盐为乙酸锌或乙酸钴；

S2、将所述纺丝溶液通过静电纺丝得到纳米纤维膜，并将所述纳米纤维膜干燥10-15h；

S3、将有机配体溶于水中，得到0.05-0.2mol/L的有机配体溶液，将150-300mg所述纳米纤维膜浸泡在50-100mL所述有机配体溶液中1-3min；

S4、向所述有机配体溶液中加入等体积含有0.5-1.0mol/L硝酸锌或硝酸钴溶液，摇晃2-10min，而后静置40-80min，在纳米纤维膜表面原位生成MOFs；

S5、将表面沉积MOFs的纳米纤维膜进行干燥，然后在惰性气体氛围下进行碳化，得到金属有机骨架与纳米纤维衍生的复合电极，其中，所述碳化的过程为：以1-3℃/min的速率升至240-280℃保温2-8h，再以5-10℃/min的速率升至800-1000℃保温2h。