[发明专利]一种金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及超级电容器电极材料的制备技术领域，具体涉及一种金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料及其制备方法和应用。本发明先将1,4‑双(咪唑‑1‑基)苯和Co(NOsubgt;3/subgt;)subgt;2/subgt;·6Hsubgt;2/subgt;O采用溶剂扩散法或混合沉淀法，制得CP‑3‑ZX材料；再将CP‑3‑ZX材料采用煅烧热解法制得金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料，并将金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料应用于超级电容器的正极材料中。本申请利用由有机配体和含金属节点组装而成的多价配位框架，利用方便的溶剂扩散法开发了的配位聚合物材料；此外，通过适当控制煅烧条件来控制材料的碳含量，进一步得到的活性电极材料来控制电容。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料的制备技术领域，具体涉及一种金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了解决能源和环境危机，开发高效的能源存储设备变得越来越重要。超级电容器作为储能系统中最有前途的替代品之一，因其高功率密度、长期稳定性和快速充放电能力而被认为是最大的绿色器件。超级电容器的储能基于两个原理：电双层电容(ElectricalDouble Layer Capacitance)和赝电容(Pseudocapacitive)，虽然碳基双层电容器可以获得高的功率密度和良好的循环稳定性，但由于碳材料的比电容有限，其能量密度较低。相比之下，赝电容材料，如过渡金属氧化物和氢氧化物，如RuO₂、MnO₂、Ni(OH)₂、NiO、Co(OH)₂、Co₃O₄和碳化物等可以提供较高的比电容。然而，大多数赝电容材料遭受较差的倍率性能和较低的电导率，提高超级电容器性能的常用方法是使用赝容性材料和碳复合材料作为电极。

多氧化态过渡金属氧化物，具有高理论电容和高化学活性，被广泛用作赝容性材料。在众多过渡金属氧化物候选者中，Co₃O₄因其超高的理论电容(3560F g^-1)和优良的电化学性能而被称为赝电容器的理想电极材料，然而Co₃O₄在充放电过程中，由于其导电性较差，且在电解液中存在腐蚀，导致其电容保留率和可逆性较差，限制了其在超级电容器中的应用，解决这个问题的一种方法是找到有效的载体，如各种碳材料，以均匀分散Co₃O₄纳米颗粒。

因此，采用合适的前驱体和合成方法来合成碳与金属复合材料已成为当务之急；作为一种前驱体，金属有机骨架(MOFs)又称配位聚合物(CPs)，是由金属离子和有机配体之间的配位键组成的有序晶体固体，值得关注。在热处理过程中，金属中心转化为高活性金属氧化物电极材料，有机配体含量高，提供了丰富的碳源，提高了电极材料的结构完整性，并且提高了电极材料的电导率。然而，如何获得独特的空间结构和优异性能的金属氧化物仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明提供了一种金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料及其制备方法和应用，本申请利用由有机配体和含金属节点组装而成的多价配位框架，利用方便的溶剂扩散法开发了的配位聚合物材料；此外，还通过控制煅烧条件来控制材料的碳含量，进一步得到的活性电极材料来控制电容。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属有机骨架衍生的四氧化三钴复合碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1,4-双(咪唑-1-基)苯和Co(NO₃)₂·6H₂O采用溶剂扩散法或混合沉淀法，制备CP-3-ZX材料；

(2)四氧化三钴复合碳材料的制备：