一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备制造技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料及其制备


[0001]本专利技术涉及电极材料
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]本专利技术将采用聚丙烯腈(PAN)、DMF(N,N
‑
二甲基甲酰胺)、有机金属框架(ZIF
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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。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术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：
[0007](1)制备负载ZIF
‑
67的纳米纤维膜；
[0008](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。
[0009]进一步地，步骤(2)中，所述预氧化的温度为200～250℃，时间为2～3h。
[0010]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。
[0011]优选地，所述氢氧化钠溶液的pH值为11～12.5。
[0012]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。
[0013]进一步地，所述负载ZIF
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67的纳米纤维膜为负载ZIF
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67的PAN纳米纤维膜，由ZIF
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67纳米颗粒和PAN
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DMF溶液混匀后进行纺丝得到，或将制备ZIF
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67纳米颗粒的原材料和PAN混匀后直接进行纺丝得到。
[0014]优选地，所述ZIF
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67纳米颗粒由六水合硝酸钴和2
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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
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甲基咪唑的质量比为2.9～5.8:3.2～6.4。
[0015]优选地，所述六水合硝酸钴和2
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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。
[0016]优选地，所述PAN
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DMF溶液的质量百分比浓度为8％～10％。
[0017]优选地，所述制备ZIF
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67纳米颗粒的原材料包括钴源、2
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甲基咪唑和N,N
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二甲基甲酰胺溶液，所述钴源为六水合硝酸钴和/或醋酸钴。
[0018]优选地，所述钴源、2
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甲基咪唑和PAN的质量比为2.9～5.8:3.2～6.4:4.5。
[0019]优选地，所述钴源、2
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甲基咪唑、N,N
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二甲基甲酰胺溶液和PAN的质量比为2.9～5.8:3.2～6.4:45.5:4.5。
[0020]具体的，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：
[0021](1)制备负载ZIF
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67的纳米纤维膜；
[0022]方法一：将六水合硝酸钴和2
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甲基咪唑分别加入到甲醇溶液中，充分搅拌使其完全溶解，然后将两种溶液缓慢混合在一起，搅拌10min静置24h，之后在8000r/min下离心5min，并用无水乙醇洗涤3～5次，60℃下干燥12h，得到紫色的ZIF
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67纳米颗粒；
[0023]将PAN置于DMF溶液中并在磁力搅拌器下搅拌24h，得到浓度为8～10％的PAN溶液；将上述制备好的ZIF
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67纳米颗粒再放入PAN溶液中，再在磁力搅拌器下搅拌12h，将最终制备好的纺丝液滴入多孔喷丝头中，利用供气式多孔静电纺丝装置批量制备负载ZIF
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67的纳米纤维膜；
[0024]方法二：将PAN、六水合硝酸钴、2
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甲基咪唑加入N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，在磁力搅拌器下搅拌24h，将制备好的纺丝液滴入多孔喷丝头中，利用供气式多孔静电纺丝装置制备负载ZIF
‑
67的纳米纤维膜；
[0025](2)将所述负载ZIF
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67的纳米纤维膜置于电热恒温干燥箱中常温下干燥16～24h，取出并放入马弗炉中以2℃/min的升温速率升至200～250℃预氧化，并在该温度下保温2h；
[0026](3)配置pH值为11～12.5的氢氧化钠溶液，然后将所述预氧化后的PAN纳米纤维膜置于所述氢氧化钠溶液中浸泡12h进行阴离子交换(常温常压下)；
[0027](4)将进行阴离子交换后的纳米纤维膜置于烘箱中，在60℃下干燥12～16h，最后将上述的纳米纤维膜置于管式炉中，在惰性气体氛围下以5℃/min的升温速率升温至800℃进行碳化，并在800℃下保温2h，研磨成粉，得到所述钴基复合电极材料。
[0028]需要说明的是，ZIF
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67颗粒负载在PAN纳米纤维上，通过阴离子交换过程形成被封装的纳米颗粒，与没有进行阴离子交换的纳米颗粒相比，在形貌上有明显的不同。经阴离子交换后，2
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MI的配体与钴离子解耦，ZIF
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67的结构被破坏，使得纤维表面上留下孔隙结构，提高了材料的比表面积，且中孔结构对电化学性能有着很好的促进作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于阴离子交换技术的钴基复合电极材料的制备方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预氧化的温度为200～250℃，时间为2～4h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阴离子交换的条件为：常温常压下，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。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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
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DMF溶液混匀后...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岚，隗冬，王萍，刘福娟，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：