[发明专利]一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备

说明书

本发明涉及一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备，属于电极材料技术领域。所述钴基复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：制备负载ZIF‑67的纳米纤维膜；将所述负载ZIF‑67的纳米纤维膜依次进行预氧化、阴离子交换和碳化处理，得到产品。本发明钴基复合电极材料具有较高的比表面积和中孔含量，从而形成了有效的分级多孔结构，其高比表面积使得电极材料和电解液之间具有更多的接触，为离子的运输和电子吸/脱附提供有利通道，具有优异的超级电容器性能；制备方法简单方便，成本低且扩展性强。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备。

背景技术

二十一世纪，国际产业大流通与大融通，带来了制造业的飞速发展，带动了巨大的能源需求与储能需求，也面临着总体碳排放与环境压力。因此，研制绿色、可再生的能量转换和储能设备成为人类目前研究的重要课题。超级电容器因具有高功率密度，长循环稳定性和高安全性等，被视为在需要高功率输送或快速存储能量应用方面的一种替代或补充的可充电电池，电极材料是决定超级电容器性能的关键。

传统的电极材料通常采用球磨法、共沉淀法、化学气相沉积法或水热生长等方法合成，这些方法要么会导致严重的颗粒聚集，要么需要多步连续的能量输入，因此对可伸缩性和电化学性能都有不利影响。

聚丙烯腈(PAN)因其碳化后优异的导电性成为制备纺丝液的不二之选。金属有机框架(MOF)作为一类新兴的三维多孔材料，由于其合成灵活、结构多样、孔道可调和化学性质稳定等优点，已经成为材料科学研究领域的热点。而金属有机骨架材料ZIF-67以钴离子为连接点，它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点。

本发明将采用聚丙烯腈(PAN)、DMF(N,N-二甲基甲酰胺)、有机金属框架(ZIF-67)和氢氧化钠(NaOH)等为主要原料，利用供气式多孔静电纺丝装置批量制备负载ZIF-67的纳米纤维膜，通过预氧化、阴离子交换和碳化等处理，制备钴基分级多孔的复合碳材料，并对碳化后的纳米材料进行了一系列表征，研究其作为电极材料的可能性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备。所述基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备负载ZIF-67的纳米纤维膜；

(2)将所述负载ZIF-67的纳米纤维膜依次进行预氧化、阴离子交换和碳化处理，得到所述钴基复合电极材料。

进一步地，步骤(2)中，所述预氧化的温度为200～250℃，时间为2～3h。

进一步地，步骤(2)中，所述阴离子交换方法为：常温常压下(20～25℃，101KPa)，将所述预氧化后的负载ZIF-67的纳米纤维膜浸泡于氢氧化钠溶液中反应12～14h。

优选地，所述氢氧化钠溶液的pH值为11～12.5。

进一步地，步骤(2)中，所述碳化处理在惰性气体氛围下进行，碳化温度为800～900℃，碳化时间为2～3h。

进一步地，所述负载ZIF-67的纳米纤维膜为负载ZIF-67的PAN纳米纤维膜，由ZIF-67纳米颗粒和PAN-DMF溶液混匀后进行纺丝得到，或将制备ZIF-67纳米颗粒的原材料和PAN混匀后直接进行纺丝得到。

优选地，所述ZIF-67纳米颗粒由六水合硝酸钴和2-甲基咪唑分别溶于甲醇溶液后混匀反应制得，所述六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的质量比为2.9～5.8:3.2～6.4。

优选地，所述六水合硝酸钴和2-甲基咪唑溶于甲醇溶液后制得的溶液浓度分别为23.2～46.4g/L和28～51.2g/L。

优选地，所述PAN-DMF溶液的质量百分比浓度为8％～10％。