一种聚苯胺复合三金属电极材料和制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种聚苯胺复合三金属（PANI@3

【技术实现步骤摘要】
一种聚苯胺复合三金属电极材料和制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及多孔复合电极材料的制备及其在电容器
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的不足，制备一种聚苯胺复合三金属电极材
料即PANI@3
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bim4复合电极材料，它是通过加热混合搅拌醋酸钴、醋酸镍和醋酸锰这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
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bim4；然后制备3
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bim4纳米片/泡沫镍电极片，最后通过在上述3
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bim4纳米片/泡沫镍电极片上电沉积聚苯胺得到PANI@3
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bim4复合电极材料；所得PANI@3
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bim4复合电极材料可表现出优异的电化学性能和循环稳定性，且涉及的制备方法简单、易控，适合推广应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种聚苯胺复合三金属电极材料即PANI@3
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bim4复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：合成二维MOF纳米片材料3
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bim4[0010]苯并咪唑(bim)中加入甲苯和甲醇溶剂，搅拌均匀后再加入氨水作为助剂；接着依次加入醋酸钴、醋酸镍和醋酸锰；将所配置好的溶液超声5～10min，在50～70℃条件下加热搅拌反应12～24h，其中各物质的量之比为：醋酸钴∶醋酸镍∶醋酸锰∶苯并咪唑∶甲苯∶甲醇∶氨水＝0.6∶0.2∶0.2∶1～1.2∶47～50∶17～20∶4～10；反应结束完抽滤，并用去离子水和乙醇洗涤，在60～80℃烘干48h后得到的棕色粉末即为3
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bim4纳米片材料；
[0011]步骤2：制备3
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M2‑
bim4纳米片/泡沫镍电极片
[0012]首先将泡沫镍进行预处理，泡沫镍裁剪成矩形条，在1M HCL中超声浸泡15min后再分别用去离子水和乙醇超声清洗15min，然后在60～80℃的烘箱里烘干过夜；将3
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bim4纳米片粉末样品、乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)一起放入研钵中，向研钵中滴加N
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甲基吡咯烷酮(NMP)，研磨变成浆状物，用移液枪滴涂在泡沫镍上2/3的面积内，然后将其在真空干燥箱中60～80℃下干燥12小时，最后将3
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bim4纳米片/泡沫镍薄片在手动台式压片机上以6Mpa的压力压片30S，即得到所述3
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bim4纳米片/泡沫镍电极片；其中，3
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bim4纳米片粉末样品、乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)和N
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甲基吡咯烷酮(NMP)的物质的量之比为8∶1∶1∶10；
[0013]步骤3：制备PANI@3
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bim4复合电极材料
[0014]将步骤2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3～20min，制得所述聚苯胺复合三金属电极材料即PANI@3
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bim4复合电极材料；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。
[0015]一种上述方法制得的聚苯胺复合三金属电极材料。
[0016]一种所述聚苯胺复合三金属电极材料作为超级电容器电极材料的应用，具有2183F/g的比电容；具有比容量高以及良好的倍率特性，是非常有潜力的超级电容器材料。
[0017]本专利技术的PANI@3
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bim4复合电极材料，用作超级电容器具有较高的电容量和优异的充放电循环稳定性。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]本专利技术制备的PANI@3
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bim4复合电极材料，聚苯胺电沉积在三种金属(Co、Ni、Mn)二维MOF纳米片上，有效实现三种金属(Co、Ni、Mn)二维MOF纳米片与聚苯胺高分子的充分复合。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚苯胺复合三金属电极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：步骤1：合成二维MOF纳米片材料3
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bim4苯并咪唑中加入甲苯和甲醇溶剂，搅拌均匀后再加入氨水作为助剂；接着依次加入醋酸钴、醋酸镍和醋酸锰；将所配置好的溶液超声5~10min，在50~70℃条件下加热搅拌反应12~24h，其中各物质的量之比为：醋酸钴: 醋酸镍: 醋酸锰:苯并咪唑:甲苯:甲醇:氨水= 0.6 :0.2 : 0.2 : 1~1.2 : 47～50 : 17~20 : 4~10；反应结束完抽滤，并用去离子水和乙醇洗涤，在60~80 ℃烘干48h后得到的棕色粉末即为3
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bim4纳米片材料；步骤2：制备3
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bim4纳米片/泡沫镍电极片首先将泡沫镍进行预处理，泡沫镍裁剪成矩形条，在1M HCL中超声浸泡15min后再分别用去离子水和乙醇超声清洗15min，然后在60~80℃的烘箱里烘干过夜；将3
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bim4纳米片粉末样品、乙炔黑和聚偏氟乙烯一起放入研钵中，向研钵中滴加N
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甲基吡咯烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄爱生，韩玉，岳文哲，刘传耀，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：