[发明专利]一种ZIF-67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法

说明书

本发明公开了一种ZIF‑67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法，将2‑甲基咪唑和KOH溶于去离子水得到透明溶液，将Co(NO₃)₂·6H₂O溶液加入该溶液，搅拌得到ZIF‑67粉末。其中，2‑甲基咪唑和Co(NO₃)₂·6H₂O的物质的量比为8：1，KOH的物质的量浓度为0.1‑3molL^‑1。然后将多面体ZIF‑67前驱体碳化后，采用不同的硒化方法制得硒化钴/碳复合材料。本发明首次利用KOH在水溶液中辅助合成不同形貌的ZIF‑67，其衍生硒化钴/碳复合材料展现出优异的储锂性能。该方法具有溶剂绿色、工艺简单、反应时间短、产率高、产物形貌可控的特点。

技术领域

本发明涉及一种ZIF-67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

随着能源消耗的不断增长，便携式电子产品和电动汽车迅速发展，人们对高效率和耐用性强的先进可充电储能材料/设备的追求日益强烈。锂离子电池作为新一代储能器件，在储能领域具有巨大的发展潜力。探索具有高比容量和稳定性的负极材料具有重要意义。近年来，基于电化学转化反应的过渡金属硒化物由于具有较高的可逆容量而受到了广泛的关注。然而，过渡金属硒化物由于体积变化大、电导率低而导致循环性能和倍率性能差的问题。因此，设计过渡金属硒化物和碳的复合材料是解决上述问题的有效策略。

近年来，在锂离子电池负极材料研究中，将金属有机骨架(MOFs)作为前驱体来合成高孔隙率的多孔碳或金属化合物/碳材料成为研究热点。MOFs是由有机配体和无机金属离子或者团簇组成的有机-无机杂化材料，一般以金属离子为连接点、有机配位体为连接体，自组装形成具有周期性网状骨架的结构。在退火过程中，MOFs中的金属离子可以转化为储存锂的活性成分，而有机配体则可以演化为高导电性碳，在分解过程中还可产生具有活性的缺陷。同时，其衍生材料还具有丰富可调的化学组份、有序的多尺度孔结构以及均匀密布的活性位点。然而，控制MOFs纳米晶体形状的研究并不像金属纳米颗粒那样完善；目前，很多MOFs 合成存在着低时效、低产率及溶剂有毒等问题；因此，开发低成本的简便合成策略对于加速 MOF基负极材料的商业化和工业化至关重要。

锂离子电池的电化学能量存储主要是通过电极材料发生的嵌入、转化或合金化反应而实现。相比于嵌入式反应，电极进行转化反应能够实现更高的容量，而相比于合金化反应，转换反应型电极则具有更好的循环稳定性；因此，转化反应类电极材料在锂离子电池领域的应用得到广泛关注。过渡金属硒化物基材料作为其中的一种，由于其资源丰富、成本低、理论储锂容量大而在储能和转换系统中得到了广泛的关注。比如，CoSe₂本身具有较大的层间距和窄带隙，使电极在氧化还原反应中具有较快的锂离子扩散速率、较快的电子传递速度和较低的能垒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZIF-67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法，在水系中，通过改变KOH的浓度调控ZIF-67的成核和生长，以调控产物的形貌和结构，使其形貌由二维叶片状过渡为三维多面体状，而且大幅度提升ZIF-67的合成效率和产率。将多面体ZIF-67 作为前驱体通过硒化得到硒化钴/碳复合材料，作为锂离子电池负极材料，提高储锂性能，提高电极材料的导电性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种ZIF-67及其衍生硒化钴/碳电极材料制备方法，包括以下步骤：

1)2-甲基咪唑和KOH溶于去离子水，先超声分散5分钟，再搅拌10分钟得到透明溶液，然后加入Co(NO₃)₂·6H₂O的水溶液得到反应液，将反应液在室温条件下搅拌4～8小时后，经离心、洗涤和干燥得到ZIF-67粉末；所述2-甲基咪唑和Co(NO₃)₂·6H₂O的物质量比为8： 1，KOH在反应液中的物质的量浓度为0.1～3mol L^-1；