[发明专利]一种聚苯胺复合三金属电极材料和制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种聚苯胺复合三金属（PANI@3‑M₂‑bim₄）电极材料和制备方法及其应用，制备包括：a）加热混合搅拌醋酸钴、醋酸镍和醋酸锰三种金属化合物和苯并咪唑的甲醇/甲苯溶液，氨水作为调节剂，得到二维MOF纳米片3‑M₂‑bim₄，用超纯水和分析纯乙醇于常温下分别离心洗涤4~6次，再于60~80℃下真空干燥48 h；b）3‑M₂‑bim₄纳米片材料/泡沫镍电极片制备；c）将所制备的电极片置于由硫酸钠、苯胺与去离子水组成的混合溶液中，施加5~10V的电压，电沉积3~20 min；其中，各物质的量之比为硫酸钠∶苯胺∶去离子水=1∶0.05~0.4∶350~800；制得PANI@3‑M₂‑bim₄复合电极材料。本发明制备步骤简便，操作容易，耗时短；将其应用在超级电容器，表现出高达2183 F/g的比电容，以及良好的倍率特性，是具有潜力的超级电容器材料。

技术领域

本发明涉及多孔复合电极材料的制备及其在电容器技术领域，具体是涉及一种三种金属(Co、Ni、Mn)复合电极材料与聚苯胺电化学的合成及其电化学储能应用。

背景技术

近年来，随着煤炭、石油、天然气等化石能源的日益使用，环境污染和生态破坏问题变的日益严重，如雾霾、洪涝、气温变暖等环境问题已经极大地威胁到人们的生活，因此，开发利用太阳能、风能、水能等绿色清洁能源为我国可持续发展服务变得日益重要和迫切。为了更加充分地利用这些新型的可持续能源，必须有与之适应的储能装置。超级电容器作为一种典型的新能源储能器件，因其超长的循环寿命，超大的功率密度，绿色环保，重量轻，体积小等诸多优点，而成为了当前科学研究的热点。

在超级电容器的各类构件中，电极材料是影响其性能优劣的重要因素之一。目前根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料(如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯等)；赝电容器也称为法拉第准电容器，其产生机制与双电层电容器不同，赝电容器的电极材料主要为金属氧化物和导电高分子。这些材料的有效复合将有可能得到电化学性能优良的超级电容器电极材料。其中，复合型超级电容器材料因其优异的氧化还原活性，高化学稳定性，特别是高电导率而备受关注。

金属有机骨架(Metal Organic Frameworks，MOFs)材料是一类主要由含氧或氮元素的有机配体与过渡金属离子连接而形成的多维周期性网状骨架材料。MOFs晶体具有三维的开孔道、较高的比表面积，以及规整、可调的孔结构和孔表面等特点。MOFs材料还具有与微孔和介孔分子筛一样拥有规则排列的孔道结构和特殊性质，在许多领域被认为是一类很有前途的材料。具有高表面积的多孔结构MOFs被认为是兼具牺牲模板和金属前体的双功能材料，用于构建具备内部空隙的高效电化学超级电容器电极材料。此外，对MOFs材料的烧结制备的多孔碳材料和多孔金属氧化物材料在一定程度保留了MOFs材料的丰富的孔道结构，使得这一类材料在催化、吸附、储能等诸多领域有广泛的应用。但MOFs材料容易发生聚集，而且金属有机框架化合物较难均匀分散在溶剂中，限制了金属有机框架化合物与导电高分子材料的有效复合。

聚苯胺(PANI)因其环境稳定、价格便宜、合成简单以及良好的电化学性能等优点，被认为最具发展潜力的电极材料之一。然而，由于在重复的氧化还原过程中引起的显著体积收缩和膨胀现象导致聚苯胺电化学稳定性差、循环寿命短及充放电效率低等缺点，限制在电容器中的应用。为了弥补上述缺陷，迫切需要研发改性的复合电极材料以提高聚苯胺基超级电容器的性能。

发明内容