[发明专利]一种Co-Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明属于多孔碳纤维应用开发技术领域，提供了一种Co‑Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维，Co‑Mn双金属有机骨架均匀分布在多孔碳纤维上并贯穿多孔碳纤维的纤维直径与多孔碳纤维连接；Co‑Mn双金属有机骨架与多孔碳纤维的质量比范围为(1:2)～(1:5)；Co‑Mn双金属有机骨架的粒径范围为2.5～4.5um；所述多孔碳纤维的直径范围为0.5～2.0um。利用该多孔碳纤维制备的电极在柔韧性和长循环电性能方面性能显著，可广泛用于可穿戴电子设备领域。

技术领域

本发明总体地涉及多孔碳纤维技术领域，具体地涉及一种Co-Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其环境友好，资源丰富，高能量密度和成本低等优点，在生产和实际生活中得到了广泛的应用，尤其作为一种可以替代化石燃料的新型能源，目前的研究大部分致力于提高其的能密度，以及缓解充放电过程中产生的体积膨胀。现有的研究方案有一种是通过碳包覆，或与碳进行复合，以达到缓解充放电过程中的体积膨胀，确保锂离子电池的安全性；另一种是通过以金属有机骨架材料为模板引入特定的过渡金属，以提高锂离子电池的容量。

金属有机骨架(MOF)衍生材料因其高导电性、高孔隙率、可设计结构和负载过渡金属氧化物的特性，显示了巨大的潜力。此外，MOF结构中所含的过渡金属有助于制备导电性更强的纳米多孔碳骨架。通常，将MOF的衍生材料与碳材料复合是提高其导电性和稳定性的有效方法。并且，双金属有机骨架材料是一种新的合成思路，可以将两种金属同时引入，这在某种程度上降低了成本，同时两种金属之间的协同作用也提高了电性能。

静电纺丝是一种简单高效制备复合纳米材料的技术，可以高效地将各种高分子与其他复合物复合。同时，静电纺丝制备出的纤维形貌良好，具有柔性，可以很好的应用在各种能源领域。

有不少研究表明静电纺丝法制备多孔碳纤维应用于电极材料不但具有优异的电性能，还有良好的柔性，可应用于制备柔性电极。因此，采用静电纺丝的制备技术，将金属有机骨架衍生物与多孔碳纤维结合，既保证了过渡金属氧化物的掺入，又提高了导电性和稳定性，同时，纤维的柔性使其可应用于可穿戴电子设备。

双金属有机骨架前体的制备耗时较长，产量较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能含Co-Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维，它以预定摩尔比的Co-Mn双金属与均苯三甲酸为有机配体形成有机骨架，再与聚乙烯吡咯烷酮K90纺丝溶液混合后通过静电纺丝方法获得纤维前体，使含Co-Mn双金属有机骨架贯穿在纤维直径上，可直接制作柔性电极。

本发明的技术方案是，一种Co-Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维，所述Co-Mn双金属有机骨架均匀分布在多孔碳纤维上并贯穿多孔碳纤维的纤维直径与多孔碳纤维连接；所述Co-Mn双金属有机骨架与多孔碳纤维的质量比范围为(1:2)～(1:5)；所述Co-Mn双金属有机骨架的粒径范围为2.5～4.5um；所述多孔碳纤维的直径范围为0.5～2.0um。

本发明同时提供了上述Co-Mn双金属有机骨架衍生的多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1、Co-Mn双金属有机骨架模板制备：

S2、纤维前体制备：

S3、纤维前体的预氧化和碳化：

其中，所述步骤S1中使用均苯三甲酸作为有机配体，使用聚乙烯吡咯烷酮作为粘接剂；

所述步骤S2中使用聚乙烯吡咯烷酮作为纺丝液原料制作纺丝溶液，将步骤S1的Co-Mn双金属有机骨架模板加入纺丝溶液后，通过静电纺丝方法获得纤维前体。

进一步的，上述步骤S1包括以下步骤：

S11、在常温下，将聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇和去离子水组成的溶剂体系中，超声使聚乙烯吡咯烷酮溶解，得到黄色透明溶液；