[发明专利]一种拓扑电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种拓扑电极材料及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域。将硝酸钴、2‑甲基咪唑和水混合，得到混合溶液；将碳布浸渍于混合溶液中密封静置后依次进行清洗和烘干，然后退火，得到拓扑电极材料。本发明中，碳布基底具有优异的柔性，在柔性可穿戴设备应用领域具有广阔的前景；在碳布上原位自组装电极材料，柔性碳布基底充当了可以促进电子传输的导电网格；片状结构的ZIF‑67纳米片更容易原位自主装在基底上，并拥有突出的比表面积；通过ZIF‑67衍生的Co₃O₄@C不仅继承了模板的片状多孔结构具有较高的比表面积，可以充分利用氧化钴的高理论容量，制备具有优异电化学性能的超级电容器电极。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种拓扑电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年，随着世界经济的飞速发展，能源在其中起到了举足轻重的作用。在众多储能装置中，超级电容器因功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、安全免维护等优点引起了人们的极大兴趣，被广泛应用于电子、汽车等领域。根据超级电容器的储能机理电极材料大致可以分为两类：双电层材料和赝电容材料。双电层材料通过正负离子在电极和电解质之间的表面上吸附和脱附过程实现物理储能过程，赝电容材料通过与电解质发生快速可逆氧化还原反应电荷转移所获得电能进行电化学储能，赝电容材料的比电容相比较双电层材料大幅提高。因此，赝电容材料被认为是最具潜力的储能材料。

金属有机骨架(MOFs)是一种有机-无机杂化材料，由金属离子和有机配体通过强化学键结合而成，由于具有高比表面积，丰富的活性位点，可调节的表面功能等优点在催化、传感、能量存储等方面应用广泛。然而，将MOF材料直接用作超级电容器的电极材料却受到限制，主要是因为MOF的导电性和化学稳定性较差。为了解决这些问题，众多研究者通过模板法实现MOF衍生物来提高材料的性能。但仍存在电化学性能不佳的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种拓扑电极材料及其制备方法和应用。本发明通过浸渍法在碳布上原位自组装了片状ZIF-67电极，并将其通过退火生成多孔结构的Co₃O₄@C，具有较高的比表面积和化学稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种拓扑电极材料的制备方法，包括以下步骤；

将硝酸钴、2-甲基咪唑和水混合，得到混合溶液；

将碳布浸渍于所述混合溶液中密封静置后依次进行清洗和烘干，得到Co₃O₄@C拓扑前驱体电极；

将所述Co₃O₄@C拓扑前驱体电极退火，得到所述拓扑电极材料。

优选地，所述硝酸钴以六水合硝酸钴的形式加入，所述碳布、六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的质量比为0.1～0.5：2～10：5～25。

优选地，所述烘干的温度为50～100℃。

优选地，所述退火的温度为270～310℃，时间为1～2h。

优选地，所述碳布使用前还包括进行预处理，所述预处理为依次进行的第一水洗、丙酮洗涤、第二水洗、乙醇洗涤、第三水洗和干燥，所述第一水洗的时间为10～30min，所述丙酮洗涤的时间为5～20min，所述第二水洗的时间为10～30min，所述乙醇洗涤的时间为5～20min，所述第三水洗的时间为10～30min。

优选地，所述干燥的温度为50～100℃，时间为10～24h。

优选地，所述清洗包括依次进行的水洗、乙醇浸泡和再水洗，所述乙醇浸泡的时间为5～10min。

优选地，所述密封静置的时间为4～24h。