[发明专利]金属配位超分子网格与三维石墨烯块状复合材料、制备方法、用途以及超级电容电极

说明书

本发明涉及复合材料领域，是一类金属配位超分子网格与三维石墨烯块状复合材料、制备方法、用途以及超级电容电极，该类金属配位超分子网格与三维石墨烯块状复合材料由金属配位超分子网格与具有三维结构的石墨烯块状材料复合而成；该复合材料既可以连接不同的配位单元形成金属配位超分子网格并传递电荷，同时金属配位超分子网格也可以与改性三维石墨烯互相作用，形成导电网格以改善材料整体电导性能，具有更好的结构灵活性及充放电可逆性，因此作为超级电容器的电极材料具有较大的应用潜力，同时本发明还提供了该复合材料的制备方法、用途以及超级电容电极。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是金属配位超分子网格与三维石墨烯块状类复合材料、制备方法、用途以及超级电容电极。

背景技术

配位超分子网格(Coordination Supramolecular Networks:CSNs)是一类新型的超分子材料，在该类材料中，分子间通过氢键和(或)π-π堆积等弱相互作用形成三维网格。该类材料一方面具有有利于电解液离子传输的丰富孔道，另一方面具有能产生氧化还原反应的金属离子活性位点。而且由于超分子结构单元之间以弱的作用如氢键与范德华力进行连接，使其相比与配位键连接的配位聚合物具有更好的结构灵活性，再加上这些弱相互作用具有一定的自修复功能，从而具有更宽广的潜在研究与应用价值。

随着能源与环境问题的日益突出，发展可再生能源和清洁能源交通工具正越来越受到科学家的重视，储能设备是其中必不可少的部分。电化学电容器，即超级电容器，作为储能设备中重要的一员，因其相对于电池能够提供更高的功率密度、更长的循环寿命以及更快的充放电速度，相对于传统的电容器具有更大的能量密度而被广泛的研究。根据储存电能机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第电容器(赝电容)，前者电容的产生主要基于电极和电解液界面上的电荷分离，后者电容的产生则主要基于电极材料表面快速的氧化还原反应。炭基材料，如活性炭、碳纳米管和石墨烯等，因其具有良好的导电性能和较大的比表面积而被认为是理想的双电层电容器电极材料。而过渡金属氧化物/氢氧化物以及导电聚合物则被作为赝电容电极材料受到广泛的研究。然而，因为高成本、低比容和(或)比较差的稳定性，这些传统的材料难以满足超级电容器的需求。因此，发展具有高比容的新型电极材料是十分必要的。

配位聚合物与金属配位超分子网格作为理想的多孔材料，具有比表面积大的优点，且内部孔道可调节和设计，理论上十分适合用作超级电容器的电极材料，但实际上由于大部分的配位聚合物结构单元之间通过羧基等单键连接，使得自身电导性能普遍较差如中国专利ZL201080059630.6公开了配位基团修饰的氧化石墨烯，其具有以下的分子式G(A-B)x；其中，G代表氧化石墨烯，A是具有连接功能的基团：-(CH2)m-、-NH-、-S-、-O-Si(-CH2)m(-OR1)2-、-C(＝O)-、-C(＝O)-O-、-C(＝O)-N-、-P(＝O)2-O-、这里m值是1-12，R1是H和C1-C12烷基基团；B是配位基团，每个氧化石墨烯单元对配位基团的比率为1∶0.00001到1∶0.5。很明显的，配位基团在该发明中以多羧基的形式发生作用，其导电性是有待改善的。

根据文献《超分子中分子间弱相互作用力的研究方法概述》中记载，超分子所具有独特的微观结构和宏观特性是材料科学领域的研究重点。

因此如何将超分子材料和三维石墨烯有机的结合在一起以提高传统石墨烯作为电极材料时的电比容和稳定性，是本领域技术人员需要认真研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供金属配位超分子网格与三维块状石墨烯类复合材料，该类复合材料既可以连接不同的配位单元形成金属配位超分子网格并传递电荷，同时金属配位超分子网格也可以与改性三维石墨烯互相作用，形成导电网格以改善材料整体电导性能，具有更好的结构灵活性，因此作为超级电容器的电极材料具有较大的应用潜力、制备方法、用途以及超级电容电极。

为了更为清楚的阐述本发明，预先对本文中出现的各英文简称予以解释：

CSNs：配位超分子网格；