[发明专利]一种多酸基晶态超级电容器电极材料的制备和应用

说明书

本发明涉及一种具有一维链型金属‑双配体结构的多酸基晶态材料及其制备方法。本发明的目的是要解决现有多酸作为超级电容器电极材料在水中的高溶解性以及低电导率的问题，而提供一种具有一维链型金属‑双配体结构的多酸基晶态电极材料及其制备方法。本发明的一种具有一维链型金属‑双配体结构的多酸基晶态材料的化学式为(H₂bpe)(Hbpe)₂{[Cu(pzta)(H₂O)][P₂W₁₈O₆₂]}·5H₂O。方法：将磷钨酸、金属铜盐、5‑(2‑吡嗪基)四唑和1,2‑二(4‑吡啶)乙烯溶解到蒸馏水中，调节pH值，再在温度为160℃下反应5天。本发明可获得一种具有一维链型金属‑双配体结构的多酸基晶态材料。将此多酸基晶态材料作为超级电容器电极材料，测得在5 A/g的恒电流充放电条件下比电容达到168 F/g，循环充电/放电1000圈，比电容保持最初的90.7%，为制备多酸基水系超级电容器电极材料提供了一条技术路线。

技术领域

本发明涉及一种具有一维链型金属-双配体结构的多酸基晶态材料及其制备方法。与多酸非晶态材料相比，将此多酸基晶态材料作为超级电容器电极材料，具有优良的循环稳定性和电荷储存能力，比电容达到168F/g，为制备多酸基水系超级电容器提供了一条技术路线。

背景技术

多酸(Polyoxometalates,POMs)是一类无机配位大分子簇，通常具有纳米尺寸，是一种重要的无机材料。多酸具有结构多样性和可修饰性，以及物理化学性质可调变等特点，这些优良品质使多酸在诸多领域显示出广阔的应用前景，尤其是催化和电化学领域。另外，与RuO₂和MnO₂相似，POMs展示出分子导电的能力，并且能够在不改变结构的情况下进行快速和可逆的多电子转移反应，这使它们在超级电容器领域展现出应用潜力。然而，POMs在水中的高溶解性阻碍了其在水系超级电容器领域的实际应用。另外，POM电极的低电导率会进一步限制超级电容器的倍率性能。

近来，为了克服这些劣势，研究学者们致力于将POMs与结构稳定、电导率高的碳材料进行复合。然而实验结果显示，这种复合结构的倍率性能和循环稳定性能并不理想。另外一种解决此问题的有效方法是用POMs和过渡金属配合物作为二级结构构筑成POM基混合配位聚合物，即多酸基晶态材料。这些晶态材料作为电极具有以下优点：(1)一般来说，聚合物是由热液反应制备的，在水和普通的无机/有机溶剂中溶解度较低。因此，在循环充电/放电过程中，多酸基晶态材料在水中的弱溶解度能够有效降低电极材料的流失，提升电极材料的循环稳定性。(2)通过适当的引入有机成分氮，可以有效提高电极材料的导电率；(3)这种晶态材料属于结晶固体，并具有确定的结构，更有利于研究其超级电容器性能机制。这是因为将其作为电极材料时，由简单的母体转变成长程有序结构的POM基晶态材料后，一部分原来处于局域态的电子可能转变为扩展态，因而其电导机制由原来的跳跃电导转变为漂流输运机制，从而提高电导率。因此，设计与组装新型多酸基晶态材料作为超级电容器电极材料是一项很有意义的工作。

发明内容

本发明的目的是要解决现有多酸作为超级电容器电极材料在水中的高溶解性以及低电导率的问题，而提供一种具有一维链型金属-双配体结构的多酸基晶态材料电极材料及其制备方法。

本技术发明首次将多酸基晶态材料滴涂于玻碳电极上作为超级电容器工作电极，用稀硫酸作电介质，测得在5A/g的恒电流充放电条件下比电容达到168F/g，循环充电/放电1000圈，比电容保持最初的90.7％(图1)。