[发明专利]一体化三维有序多孔薄膜电极材料及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种一体化三维有序多孔薄膜电极材料的制备方法，具体是先采用液相外延自组装法将金属有机骨架材料生长在无机支撑体上，形成致密的、具有晶体取向性的金属有机骨架多孔薄膜，然后将金属有机骨架薄膜/无机支撑体复合结构在N₂气氛中高温焙烧得到三维有序多孔薄膜电极。本发明中制备的多孔薄膜电极不仅具有较大的比表面积，而且具有三维有序的多孔网状结构，能够增加材料与电解液的活性界面，增强电极材料在电化学反应过程中的动力学，有效提高离子和电子的传导性能，可用于电化学器件（如钠离子电池、燃料电池和电化学传感器等）中，且制备方法简单易扩大生产。

技术领域

本发明涉及一体化三维有序多孔薄膜电极材料及其制备方法、应用，属于电化学领域。

背景技术

锂离子电池因其较高的能量密度、较长的循环寿命以及环境友好等特点，已在便携式电子设备和电动汽车等领域得到了广泛的应用。然而，由于锂资源稀缺所引起的成本问题限制了锂离子电池的进一步发展。相比于锂离子电池，钠离子电池因使用资源丰富且分布广泛的钠金属元素而具有重大的研究意义和应用前景。

在钠离子电池研发过程中，采用高性能的负极材料是改善电池性能的关键。传统的锂离子电池负极材料石墨，由于层间距较小且钠离子体积为锂离子体积的2.41倍，在充放电过程中，钠离子嵌入或脱出石墨电极后会诱发电极体积剧烈的变化，从而引起钠离子电池电极结构的崩解，最终导致电池循环寿命的下降。因此，传统石墨负极材料无法被直接应用于钠离子电池。

中国专利(申请号：201410749904.4)公开了一种基于金属有机骨架材料的多孔碳电极及其制备方法，所述的多孔碳电极是先将金属有机框架材料真空状态下高温煅烧获得多孔碳，然后将多孔碳与粘结剂混合均匀，平铺在石墨纸上，干燥，最后将粘结剂碳化而制得。中国专利(申请号：CN201810130666.7)公开了一种用于钠离子电池的CuFe₂O₄/C复合负极材料的制备方法，所述的CuFe₂O₄/C复合负极材料是采用回流法制备金属有机框架材料，再将其高温煅烧，然后与粘结剂混合均匀，涂布在集流体上所得。以上这些方法中，一般是以MOFs粉体材料为前驱体，因此，碳化得到的多孔电极材料也通常是粉体材料，而该粉体材料的应用需要采用粘结剂进一步加工成相应的电极材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种一体化三维有序多孔薄膜电极材料及其制备方法，在没有粘结剂的情况下，能够有效地解决材料与支撑体之间不易粘附或粘附力弱的技术难点。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一体化三维有序多孔薄膜电极材料及其制备方法，主要包括以下步骤：

步骤(1)：将一定量金属盐溶解在有机溶剂或水中，得到金属盐溶液；将一定量有机

配体分子溶解在有机溶剂或水中，得到有机配体溶液；

步骤(2)：将无机支撑体表面进行预处理；

步骤(3)：在步骤(2)所得无机支撑体循环暴露在金属盐溶液和有机配体溶液中，从而在无机支撑体表面生长一定厚度的金属有机骨架类薄膜，即得到金属有机骨架薄膜/无机支撑体复合结构；

步骤(4)：将步骤(3)得到的金属有机骨架薄膜/无机支撑体复合结构进行碳化处理，得到一体化三维有序薄膜电极材料。

按上述方案，步骤(1)中的有机溶剂主要包含醇类、苯类、酰胺类等中的一种或多种，例如甲醇、乙醇、二甲基甲酞胺、甲苯、甲醇、氯苯、二乙基甲酞胺、二甲基亚矾、过氧化氢、甲胺、三乙胺、乙二醇等中的一种或者几种的混合物。