[发明专利]基于绿色有机配体的Cu-MOF/GO复合物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于绿色有机配体的Cu‑MOF/GO复合物的制备方法，包括以下步骤：将导电相材料分散于水中，加入过渡金属盐，溶解得到溶液一；将绿色有机配体溶于水中，得到溶液二；将所述溶液一和溶液二混合，在60～200℃下水热反应5～30h，得到的固体物即为Cu‑MOF/GO复合物；其中，所述导电相材料为氧化石墨烯，所述过渡金属盐为Cu(NO₃)₂或其水合物，所述绿色有机配体为柠檬酸或其水合物。本发明还公开了由上述方法制备的Cu‑MOF/GO复合物及其应用。本发明的Cu‑MOF/GO复合物的制备方法，采用柠檬酸绿色配体，可以大大降低成本，且有效降低环境污染。

技术领域

本发明涉及金属有机框架材料技术领域，具体涉及一种基于绿色有机配体的Cu-MOF/GO复合物及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的不断发展，人类对资源的需求越来越大。由于化石燃料的广泛使用造成能源枯竭，温室效应和环境污染等问题。因此对新能源的开发和利用显得迫在眉睫。近年来，太阳能、风能、潮汐能、水能和核能等清洁能源由于其可再生和低污染等特性引起了全世界范围内的广泛关注。但是，绝大多数的清洁能源，都具有不连续、不稳定且难以直接利用的特点。因而如何实现高效、廉价和环保的能量存储和转化在追求可持续发展的21世纪的今天显得尤其重要。为了克服化石燃料的使用带来的能源和环境危机，发展高效环保的储能技术显得尤为重要。而锂离子电池因其具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长、自放电低、维护费用少和环境友好等诸多优点，在储能领域占有重要地位。近年来电子市场及电动汽车等领域迅速发展，对锂离子电池的性能要求越来越高。因此研发具有高性能、低成本的锂离子电池具有十分重要的意义。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成，在工作过程中将化学能转化成电能。而负极作为锂离子电池的重要组成部分，很大程度上决定着电池的性能。目前，负极材料主要为石墨，其理论容量只有372mA h g^-1，已经不能满足目前对高功率密度和能量密度的要求。因此，急需开发一种具有低成本，高容量和更好耐用性的新型的负极材料。然而，目前开发出的一些具有优越性能的电极材料，例如金属合金、硅、过渡金属氧化物和硫化物等，但是这些负极材料的制备步骤繁多，程序复杂并且需要昂贵的设备，使得其难以取代石墨负极材料，从而阻碍了他们的商业化发展。

然而，金属有机框架(MOFs)作为相对年轻并且快速发展的多孔材料，引起了各个领域研究者的巨大兴趣。目前MOFs材料已经被广泛应用于气体捕集和存储，质子传导、催化、药物传递和能量的存储和转化等领域。近几年来将MOFs作为锂离子电池的电极材料也受到了研究者们的广泛的关注。

MOFs是一系列有趣的多孔固体，具有明确的晶体结构和极大的表面积，它们通常通过金属簇/离子与适当的有机配体之间的配位反应合成。在20世纪90年代末被Yaghi和Li发现。合成MOFs常用的金属簇/离子是过渡金属和一些镧系元素，有机配体通常含有吡啶基和氰基，冠醚，多胺，膦酸盐或羧酸盐，起到连接MOF内金属离子的桥梁作用。由于有各种各样的主要构件单元的不同，可以通过溶剂热法、微波热法、电化学法以及机械法可以有效制备出0D、1D、2D、3D的MOF结构。到目前为止已报告了20000多种具有可控尺寸，形状和特性的MOFs。因此，根据不同应用的需求，通过调节金属中心离子的种类和有机配体的类型及尺寸，可以将MOFs材料设计成特定的结构和尺寸以满足实际应用的需求。

由于MOFs的制备过程简单、耗能低，并且MOFs及其衍生物作为锂离子电池的负极材料具有许多显著的优势，例如：1)可以通过设计各种MOF并结合特定的热处理，很容易地调整它们的化学成分；2)MOFs有可控的孔隙率和巨大的表面积，便于电解质进入电极并确保大的电解质/电极接触面积；3)具有规则的孔道，可以显著缩短电子和离子扩散路径，这非常有利于提高MOFs电极材料的倍率性能；4)制备过程简单，成本低，有很大的商业化发展潜力。使得MOFs在能源存储及转化方面表现出了巨大的潜力。近几年来，有许多的研究者及其课题组致力于研究新型的多功能MOFs，将其作为锂离子电池的电极材料并表现出了优异的电化学性能。