[发明专利]一种Cu@Cu-CAT@PANI复合电极材料及制备方法和其应用

说明书

本发明公开了一种Cu@Cu‑CAT@PANI复合材料及制备方法和其应用，制备包括：a）将活化泡沫铜置于由去离子水、2，3，6，7，7，10,11‑六羟基联苯（HHIP）与四丁基四氟硼酸铵（MTBS）组成的混合溶液中，加载5~20V电压，电沉积3~5 min，制得Cu‑CAT MOF负载在泡沫铜上的复合材料，即Cu@Cu‑CAT；b）将上述Cu@Cu‑CAT材料置于由水、硫酸钠与苯胺组成的混合溶液中，加载5~20V电压，电沉积5~10 min，制得聚苯胺负载在Cu@Cu‑CAT上的复合材料，即Cu@Cu‑CAT@PANI复合材料；整个制备过程的步骤简便，所需条件低，操作简单，耗时短；将该材料应用在超级电容器，表现出高达860F/g的比电容，以及良好的倍率特性，是非常有潜力的超级电容器材料。

技术领域

本发明涉及多孔复合材料的制备及其电容器技术领域，具体涉及一种2,3,6,7,10,11-六羟基三亚苯铜基金属有机框架(Cu-CAT MOF)与聚苯胺电化学的合成及其电化学储能应用。

背景技术

近来，环境恶化和能源短缺已引起人们对于识别清洁和可再生能源的关注。在各种电化学能源技术中，具有优异功率密度(高达10⁵kW kg^-1)，超长循环寿命和快速充电/放电速率的超级电容器(SC)引起了工业界和学术界的广泛研究关注。这些优点被广泛用于为实际应用替换常规可充电电池，包括便携式电子设备，备用电源系统，混合动力电动汽车和存储设备。但是，当与电池和燃料电池的功率密度相关时，超级电容器的功率密度有些差。因此，找到合适的电极材料以改善相应的电化学性能至关重要。迄今为止，已经研究了几种电极，例如碳材料，金属氢化物，金属氧化物，导电聚合物，金属硒化物，金属氮化物和金属磷化物，开发超级电容器。超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料(如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯等)；赝电容器也称为法拉第准电容器，其产生机制与双电层电容器不同，赝电容器的电极材料主要为金属氧化物和导电高分子。这些材料的有效复合将有可能得到电化学性能优良的超级电容器电极材料。其中，复合型超级电容器材料因其优异的氧化还原活性，高化学稳定性，特别是高电导率而备受关注。

金属-有机骨架(MOF)由于易于合成，结构形态，可调节的孔径，异常大的比表面积以及富含金属离子的中心而吸引了广泛的关注，这些中心为电化学反应提供了充足的空间。最近的文献表明，MOF已被广泛考虑用于能源和环境应用，例如电池，太阳能电池，超级电容器和水分解。然而，差的电导率和大的位阻效应使它们在电化学应用中的适用性最小化。因此，有必要探索一种新的策略来增强MOF电化学性能。通常，MOF是通过金属离子或簇之间的分子间键合或配位键合而形成的，有机连接基提供了独特的2D或3D结构框架。MOF是通过各种有机连接基形成的，这些连接基提供不同的结构形态以及电化学性能。在各种MOF中，π-d共轭MOF具有高电导率，可以保证电子在电化学反应中的快速传导，在电化学储能应用中的作用突出。在已报道的具有多种金属离子的MOF中，π-d共轭MOF在储能领域具有很广泛的应用前景。

聚吡咯是一种常见的导电高分子聚合物，通常为无定型黑色固体，以吡咯为单体，具有良好的生物相容性，制备工艺简单，具备良好的导电性等特点。为了弥补上述缺陷，迫切需要研发改性的复合材料以提高聚吡咯基超级电容器的性能。

近来，由于具有较好的导电性，聚苯胺有望作为用于能量存储应用的高能材料。在这些电极材料中，聚苯胺已在各种研究领域进行了研究，例如电催化能，电子学，光子学等。但聚苯胺在长时间的电化学使用过程中，其体积会发生较大的膨胀与收缩，导致结构的破坏与坍塌，导致电化学性能衰减，阻碍了其在超级电容器中的应用。

发明内容