[发明专利]一种细菌纤维素复合金属有机骨架材料衍生的碳气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明属于生物纳米材料技术领域，具体涉及一种细菌纤维素复合金属有机骨架材料衍生的碳气凝胶及其制备方法和应用。本发明以细菌纤维素为前驱体，选用清洁高效稳定的软模板法，利用热解过程中Zn²⁺气化和蒸发刻蚀，从而在BC衍生的纳米纤维中产生大量的缺陷以及大量的微孔和介孔，再通过干燥和高温碳化的工艺优化制得高比表面积和比容量和高循环稳定性的碳气凝胶，从而提供电化学性能优异的电极活性材料。

技术领域

本发明属于生物纳米材料技术领域，具体涉及一种细菌纤维素复合金属有机骨架材料衍生的碳气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着可持续和可再生能源的快速发展，由于超级电容器(SC)的高功率特性，快速的充放电能力，极长的使用寿命(10万次循环)，高安全性和可靠性，因而被公认为是未来电力系统不可或缺的一部分。各种碳纳米材料例如活性炭，模板多孔碳，碳化物衍生的碳，碳纳米纤维，碳纳米管和石墨烯是双电层电容(EDLC)电极材料的典型代表，由于其出色的结构特征(例如高化学稳定性，高孔隙率，大比表面积和高电导率)而受到了广泛的研究。碳纳米材料当中，活性炭在商业市场上占有主导地位。然而，当前基于活性炭电极材料的商业SC的能量密度并不令人满意因为它们的比电容低(在水性电解质中通常小于200F g^-1)。对于实际应用，有必要生产具有更高的比电容却又不牺牲其功率性能和循环稳定性的高性能碳电极材料。

通常，碳电极的电容增强可以通过化学修饰的方法例如增加自身的孔结构，或合成赝电容材料。赝电容材料比如金属氧化物/氢氧化物或导电聚合物所产生的法拉第反应可以提高电荷存储导致比电容更高，但循环性能由于法拉第反应的不可逆性和电导率的降低却比EDLC差很多。杂原子掺杂可增强周围碳原子的自旋密度和电荷分布，从而促进润湿性并创建赝电容活性位点，导致比容量增强但同时依然有令人不满意的循环稳定性。具有高比表面积的适当分布的大孔/中孔/微孔的多孔碳材料，能够快速的促进质量传输和重复暴露活性位点，并允许在快速充放电条件下实现高的电荷存储。但是，要实现理想的多孔结构，需要使用硬模板(MgO，ZnO，SiO₂等)，物理活化方法(CO₂，蒸汽等)，化学活化方法(H₃PO₄，H₂SO₄，ZnCl₂，KOH等)，这些方法可以有效地形成大量的孔，但资源和时间消耗大，复杂的多步处理，效率率低，对环境危害极大。软模板为具有明确的孔结构和紧密的孔径分布的多孔碳的合成提供了一种更简单，更有效和更低污染的策略。但是采用合适的表面活性剂是至关重要的问题，这些表面活性剂可以转化为具有比较大的扩散限制和低电导率的无定形碳。尽管在改善碳电极材料的电容方面做出了巨大努力，但要实际应用开发具有高比电容和出色循环性能的多孔碳仍是一项挑战。

中国专利申请文件(公开号CN202010858972X)公开了细菌纤维素基碳气凝胶的制备方法，利用细菌纤维素为前驱体，选用合适的离子溶液，通过干燥和高温碳化的工艺制得结构稳定的碳气凝胶，但是组装成对称式的超级电容器，比容量和能量密度有待提高，需要进一步改进。

最近，金属有机骨架(MOFs)已被证明是多孔碳材料的前体，它们通常具有较大的表面积和高的比电容，但由于含金属或含氮化学物质的赝电容特性，其循环性能不能令人满意。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种大比表面积、高比容量和能量密度，循环性能优良的细菌纤维素复合金属有机骨架材料衍生的碳气凝胶。

本发明的上述目的通过以下技术方案得以实施：

一种细菌纤维素复合金属有机骨架材料衍生的碳气凝胶，所述碳气凝胶的比表面积为860-930m²g^-1、孔体积为0.2-0.4cm³g^–1、孔径尺寸为5-10nm。