[发明专利]一种用于超级电容器的Ni-PTA MOF材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种用作超级电容器电极材料的Ni‑PTA MOF材料及其制备方法。所述Ni‑PTA MOF材料约为厚度100~200纳米，长宽为微米级的层片结构，每个片层均具有多孔结构，且每个片层由若干MOF晶粒结合形成孔洞结构。所述Ni‑PTA MOF材料由六水合硝酸镍与PTA为源材料通过一步溶剂热法合成，制备简单、节能，适合工业化生产。合成的Ni‑PTA MOF材料在三电极体系下测试，在0.01V/s的扫描速率下表现出147F/g的高比容量。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料的领域，特别涉及一种用于超级电容器的金属有机框架物（MOF）材料及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，化石能源不断消耗，环境污染日益加剧，未来经济与社会可持续发展的一系列世界性难题越来越受到各国的高度关注。在新能源领域，超级电容器是一种新型的储能器件，介于传统电容器和二次电池之间，具有下述优点：功率密度高，相当于电池的5-10倍；充放电速度快，可在几秒至几分钟内完成，且充放电效率高；温度范围宽，可在-40~70℃的环境下工作；循环寿命长；免维护，绿色环保。因此，超级电容器日益受到广泛关注，在消费电子、电力能源、机械工业、新能源汽车、生物传感、航天航空与军事等领域均有巨大的应用空间和潜力。

超级电容器主要由正负两个电极、集流体、隔膜和电解质四个部分组成，其中影响超级电容器电化学性能的最核心因素就是电极材料。如何获取性能更优的电极材料，是科研人员竭力攻克的难题。设计超级电容器电极材料，应包括如下性质：（1）比表面积要大，以获得更多的活性点；（2）要有合适的孔径分布，间隙网络，以及孔的长度，以促进离子高速扩散；（3）电极中内部电阻要低，以提供有效的电荷传递；（4）电化学性能及机械稳定性要好，以获得很好的循环性能。

按照能量存储的方式，超级电容器可分为两种。其一，双电层电容器，电极材料主要是碳材料，包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等，在电解质中，电荷相互分离，在碳电极/电解质界面上产生一个双电层，该类型电容器存储电荷依靠电极和电解质界面的双电层来实现，仅仅是表面电荷的静电积累，所以双电层电容器比电容较低。其二，法拉第准电容器，也称为赝电容器，通常以过渡金属化合物和导电聚合物作为电极材料，利用快速电活性物质的电化学氧化还原反应或在电极表面的快速吸脱附来存储电荷，完成充放电过程，赝电容器的比电容较高。

目前，超级电容器的能量密度依然偏低，这是制约其广泛应用的关键和瓶颈环节。提高超级电容器能量密度的关键是提高电极材料的比电容，与双电层电容器相比，赝电容器电极材料具有显著更高的比电容，因而是人们研发的焦点。目前，人们对于赝电容器电极材料的研发主要包括：导电聚合物、过渡金属氧化物和氢氧化物、过渡金属硫化物等。但这些材料均各有缺点，如导电聚合物循环稳定性差，氧化物和氢氧化物电导率低，硫化物也有电导率较低的缺点。因而，寻找一种新型的超级电容器电极材料一直是人们研发的目标，也是产业化发展的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是开发一种新型的超级电容器电极材料。金属有机框架物（MOF）材料是将有机配体和金属离子通过自组装形成的具有重复网络结构的一种类沸石材料，与传统的无机多孔材料相比，MOF材料具有更大的空隙率和比表面积，尤其是可调节的孔径以及可变的功能基团。目前，MOF材料已经应用于氢气存储、药物运载、催化反应、生物传感器、气体吸附与分离等方面。本发明提供了一种新的MOF材料，即所述Ni-PTA MOF材料。

本发明提供了一种Ni-PTA MOF材料，由六水合硝酸镍与对苯二甲酸（PTA）为源材料合成，为二维片层状结构，单个片层层厚100~200 nm，片层长宽为4~7 μm，每个片层均具有多孔结构，且每个片层由MOF晶粒结合形成孔洞结构。

本发明还提供了制备上述用于超级电容器的Ni-PTA MOF材料的制备方法，包括：

1）将六水合硝酸镍溶于一定量的N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，室温下搅拌均匀，置于恒压漏斗中，得到溶液一；