[发明专利]一种金属有机框架衍生石墨化多孔碳的制备方法

说明书

本发明公开一种金属有机框架衍生石墨化碳的制备方法。所述金属有机框架衍生石墨化碳以金属盐为基底，加入有机配体和有机溶剂，通过溶剂热反应得到金属有机框架作为前驱体，之后将前驱体高温碳化，盐酸洗涤后得到金属有机框架衍生的石墨化碳。金属有机框架前驱体中均匀分布的金属离子不仅能够作为高效的成孔剂，而且在碳化过程中促进了碳骨架的原位催化石墨化。该材料具有较高的石墨化程度和多孔结构，表现出高平台容量和高倍率性能。以此电极材料为负极，活性炭为正极组装的锂离子电容器具有较高的能量密度和功率密度，循环稳定性优异。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，特别涉及一种金属有机框架衍生石墨化多孔碳的制备方法和由其制作的锂离子电容器。

背景技术

随着人们对便携式电子设备和电动汽车的需求不断增加，开发高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电化学储能装置引起了人们的关注。锂离子电容器作为一种新型储能装置，由电容型正极和预理化电池型负极组成，兼具超级电容器的高功率密度和锂离子电池的高能量密度。锂离子电容器在充放电过程中，正极表面发生快速的离子吸附/脱吸附，而负极则发生缓慢的锂离子插层/脱插反应，正负极反应动力学差距较大，从而限制了器件的功率密度。另外，在锂离子电容循环过程中，负极电势会逐渐向高值移动，导致正极材料容量利用率降低，降低器件的能量密度和循环稳定性。设计具有长充放电平台的负极材料能够解决这一问题。因此，开发出兼具高倍率性能和长充放电平台的负极材料是实现锂离子电容高能量密度、高功率密度和长循环寿命的关键。

石墨被广泛应用于商用锂离子电池负极材料，但传统石墨负极的容量较低，无法满足锂离子电容器高功率的需求。低石墨化程度的非晶碳通常表现出相对较高的比容量，然而，其无序的微结构也导致了低电子导电性和较差的稳定性。为了满足对负极高容量的要求，制备具有优化石墨化度和多孔结构的新型复合碳材料至关重要，该材料具有长充放电平台和高倍率性能。

金属有机框架材料(MOFs)是由金属离子(或团簇)与有机配体在一定条件下通过化学键结合得到的晶态多孔材料。金属有机框架由于金属节点、配体以及拓扑类型的丰富、可调特性而成为构建多孔碳的理想前驱体。在MOF的碳化过程中，规则排列的金属中心转化为金属纳米颗粒并均匀地分布在碳化产物中，在随后的酸去除过程中，这些均匀填充在碳基质内的金属纳米颗粒将在碳基质内塑造出丰富的多孔结构。此外使用过渡金属（Ni CoMn）作为节点还将提高碳骨架的石墨化程度，这有利于获得更大的平台容量。基于以上优势，MOFs被认为是制备多孔碳材料的理想前驱体或模板。专利CN113072056A以金属有机框架作为前驱体，碳化酸洗后得到高比表面积的金属有机框架衍生碳。该碳材料表现出无序结构，石墨化程度较低，平台容量较小，不利于提高器件的循环性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有技术存在的锂电容功率密度低以及循环稳定性差的问题，提供了一种金属有机框架衍生石墨化多孔碳的制备方法，并将其作为负极材料应用于锂离子电容器。本发明制备得到了石墨化程度较高的MOF衍生碳材料，导电性良好，具有较高的平台容量，提高了负极材料的倍率性能，得到具有良好功率密度和优异循环稳定性的锂离子电容器。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种金属有机框架衍生碳材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取0.2g六水合硝酸钴,0.4g 2,7-(3,5-二甲基-1H-吡唑)-1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺和0.1g环己二酸，溶解于3ml去离子水和2ml N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌后得到混合液；

（2）将所述混合液在100摄氏度下水热反应24h后，依次进行浸洗处理和过滤处理，得到金属有机框架材料；

（3）将所述金属有机框架材料放置于管式炉内，在惰性气体气氛下由室温升温至900-1300℃，保温2h，随炉自然冷却至室温，得到碳化产物；

（4）对所述碳化产物依次进行浸洗处理和过滤处理后得到酸洗产物；