海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用技术

本发明专利技术公开了海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。该海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状；其制备方法包括以钴基金属有机骨架作为前驱体，经过水热，前驱体负载在泡沫镍上，并将其进行煅烧，制得海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料。本发明专利技术海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料具有结构稳定、比电容高等优点，可直接作为电极材料用于电化学储能，具有能耗低，结构稳定，储能效果好等优点。

【技术实现步骤摘要】
海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用
本专利技术属于超级电容器电极材料领域，涉及海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料及其制备方法和在超级电容器中的应用。
技术介绍
超级电容器以其优于传统电容器和可充电电池的循环寿命，功率密度，以及充放电速率，为能量储存设备的发展提供了新的方向。根据电荷存储的机理，可以将现有的超级电容器分为两种类型：双电层电容器和赝电容器。双电层电容器主要依靠于电荷在双电层中的累积效应。赝电容器主要依赖于在充放电过程中快速的氧化还原反应。就目前而言，超级电容器的进一步发展主要在于提升其能量密度。各种各样的材料，比如多孔碳，金属有机骨架，聚合物，金属及金属化合物等等，被用于超级电容器的电极材料。其中，来源丰富，价格低廉的碳材料被认为是最有希望将实验室的研究成果成功转化到工业生产的电极材料。碳材料的电化学性能主要取决于其表面形成的双电层和物理化学的相互作用。因此，制备高性能的碳材料，主要关键在于建立特定的结构，包括形态、尺寸、孔径和孔隙率等等。目前，碳材料的来源主要是自然界中存在的含碳量丰富的前驱体，通过在惰性气氛中进行煅烧，对碳材料进行活化。但是，一些常见的富碳前驱体，比如生物质，聚合物的水凝胶，碳化后存在结构尺寸不可控，难以满足进一步优化的要求。近年来，具有无机-有机杂化多孔结构的金属-有机骨架(MOFs)被开发用于合成具有特定形貌和尺寸的碳材料。在MOFs的碳化过程中，有机基团被热解，金属部分作为结构的导向剂，因为，碳化后的材料可以很好的保持原有的拓扑有序的微观结构。目前常见的MOFs衍生的碳材料有着各种各样的形状，比如硬币，微球，核壳等等。然而目前大多数的MOFs衍生的碳材料，在使用过程中仍然会受限于其自身固有的缺陷，比如：1)MOFs衍生的碳材料石墨结晶度低，导致材料的导电性比较差。为了提升材料的导电性，通常会将其用粘结剂直接涂敷在导电基底上，如玻碳电极等，但是导电基底和氧化钴直接并没有化学键的连接，在电极材料的使用过程中，容易脱落，导致电容器器件的损坏。并且粘结剂的使用还会造成活性材料的浪费，出现较多的死界面，阻碍离子和电子向内电极的转移。2)除了借用其他材料的导电性以外，还通过掺杂金属等方式提升材料的导电性，适量的金属掺杂，不仅可以提升材料导电性，还引入了赝电容，进一步提升材料的电容性。但是，在快速的充放电过程中，金属不断的发生氧化还原反应，不断的发生膨胀收缩，进而出现脱落，严重限制了材料的使用寿命。因此，如何克服现有MOFs衍生碳材料在使用过程中存在的上述问题，以获得一种结构稳定、比电容高、充放电速率快、制备过程可控、制备工艺简单、制备成本低廉的用于超级电容器的MOFs衍生碳材料基电极材料，对于提高MOFs衍生碳材料基电容器的性能及其在实际成产中的应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、比电容高的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，还提供了一种制备过程可控、工艺简单、成本低廉的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料的制备方法以及该海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料作为电极材料在超级电容器中的应用。本专利技术的复合材料应用于超级电容器时具有能耗低、比电容高等优点，对于提高电容器的性能和实际应用具有重要意义。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状。优选地，所述无定形碳中镶嵌有金属钴和氧化钴；在海胆状的无定形碳中，包裹有少量的金属钴和氧化钴，形成异质结构，增加了对电解质中离子的吸附能力。多维度的海胆状的形貌，为离子提供了快速的运输通道；这种独有的特性，给双电层电容的形成提供了最佳条件。更一步优选地，其中无定形碳与钴(包括金属钴和氧化钴)的摩尔比为8～10。优选地，所述无定形碳与泡沫镍的质量比为30～40％。优选地，所述无定形碳的平均粒径为8～10μm，微球表面分布放射形的纳米片，这种包含多维度的海胆状无定形碳，可以减少微球间的接触，并为离子和电子的运输提供最合适的路径。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将可溶性钴盐、均苯三酸和聚乙烯吡咯烷酮加入到氮，氮-二甲基甲酰胺和水的混合溶液中，超声分散，得到钴基金属有机骨架的前驱体溶液；钴盐和均苯三酸分别是构建金属有机骨架的金属和有机配体，聚乙烯吡咯烷酮可以提供碳源，并协调材料的形貌。(2)将泡沫镍浸入步骤(1)中得到的钴基金属有机骨架的前驱体溶液中，进行水热反应，得到表面覆盖钴基金属有机骨架的泡沫镍材料；(3)将步骤(2)中得到的表面覆盖钴基金属有机骨架的泡沫镍材料进行煅烧，得到海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料。优选地，步骤(1)中，所述钴基金属有机骨架的前驱体溶液中，可溶性钴盐、均苯三酸和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为60～90∶50～60∶1～3；所述钴基金属有机骨架的前驱体溶液中钴盐为硝酸钴，硫酸钴或氯化钴；所述钴基金属有机骨架的前驱体溶液中聚乙烯吡咯烷酮为K30、K40或K90，分子量为30000～60000，选择分子量级别较大的聚乙烯吡咯烷酮，主要是为了提供充足的碳源；所述钴基金属有机骨架的前驱体溶液中，氮，氮-二甲基甲酰胺和水的体积比为1∶1～3。优选地，步骤(3)中，所述煅烧的温度为200～400℃；所述煅烧的时间为1.0～2.5h；所述煅烧在惰性气氛下进行；所述惰性气氛为Ar或N2。优选地，泡沫镍和钴盐的质量比为0.9～1.5∶1。优选地，步骤(2)中，所述水热反应的温度为150～170℃；所述水热反应的时间为10～16h。优选地，步骤(2)中，将泡沫镍置于丙酮中超声处理，然后置于盐酸溶液中超声处理；所述盐酸的浓度为0.5M～3.0M；置于丙酮中超声处理的时间为0.5h～1h；置于盐酸溶液中超声处理的时间为0.5h～1h；在将泡沫镍浸入钴基金属有机骨架的前驱体溶液后，在进行水热反应前，还包括对钴基金属有机骨架的前驱体溶液进行超声分散；所述超声分散的时间为0.5h～2h。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供上述的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料或上述的制备方法制得的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料在超级电容器中的应用。上述的应用，优选地，包括以下步骤：以海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料为工作电极，构建三电极体系，于电解质溶液中进行充放电测试。上述的应用，优选地，包括以下步骤：以海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料为工作电极，构建二电极体系，于电解质溶液中进行充放电测试。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，包括海胆状无定形碳和泡沫镍；海胆状无定形碳负载在泡沫镍上。一方面，海胆状的海胆状无定形碳相比于单纯的块状的碳材料，不仅可以提供更大的有效的接触面积，调节电极应力，且多维度的海胆状形貌还可以缩短电子-离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，其特征在于，所述海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状。/n

【技术特征摘要】
1.海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，其特征在于，所述海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料包括泡沫镍和负载于泡沫镍上的无定形碳，所述无定形碳为海胆状。


2.根据权利要求1所述的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，其特征在于，所述无定形碳内部镶嵌有金属钴和氧化钴；所述金属钴和氧化钴的总摩尔量与无定形碳的摩尔量的比值为1∶8～10；
所述无定形碳的平均粒径为8μm～10μm。


3.根据权利要求1或2所述的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料，其特征在于，所述无定形碳与泡沫镍的质量比为30％～40％。


4.如权利要求1～3中任一项所述的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将可溶性钴盐、均苯三酸和聚乙烯吡咯烷酮加入到氮，氮-二甲基甲酰胺和水的混合溶液中，超声分散，得到钴基金属有机骨架的前驱体溶液；
(2)将泡沫镍浸入步骤(1)中得到的钴基金属有机骨架的前驱体溶液中，进行水热反应，得到表面覆盖钴基金属有机骨架的泡沫镍材料；
(3)将步骤(2)中得到的表面覆盖钴基金属有机骨架的泡沫镍材料进行煅烧，得到海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料。


5.根据权利要求4所述的海胆状无定形碳/泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钴基金属有机骨架的前驱体溶液中，所述可溶性钴盐、均苯三酸和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为60～90∶50～60∶1～3；
所述钴盐为硝酸钴、硫酸钴或氯化钴；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄丹莲，陈亚诗，雷蕾，程敏，许飘，陈莎，杜立，肖睿豪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43