[发明专利]NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种NiCoMn‑LDH/S‑Cu复合电极材料及其制备方法，其特点是，所述制备方法以氯化锰、硝酸钴和2‑甲基咪唑为反应物，制备具有均匀菱形十二面体结构的二元金属有机骨架CoMn‑ZIF‑67；然后利用硝酸铜对前驱体进行少量刻蚀，引入铜元素并调节材料中锰的含量；随后利用硫代乙酰胺对上述产物进行部分硫化，调节材料非金属元素组成及结晶度；最后用硝酸镍进行刻蚀沉积反应，获得具有纳米片组装菱形十二面体空心笼状结构的NiCoMn‑LDH/S‑Cu复合电极材料。制备方法科学合理、适用性强、效果佳；制备获得的复合电极材料电化学性能优异，特别适用于作为超级电容器高性能电极材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及超级电容器的电极材料，是一种NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料及其制备方法。

背景技术

在本领域的现有技术中，高效利用绿色清洁能源，以及设计和开发适用于新能源的能量存储与转化装置成为当前应对和解决环境、能源问题的重点。超级电容器是一类经济、安全、高效的电化学储能装置，在航空航天、交通、新能源等领域具有广阔应用前景，且随着应用需求的迅速增长，对超级电容器的储能性能提出了更高要求。通过超级电容器电极材料的高效设计，可显著改善储能器件的能量密度和功率密度，这也是目前研究的热点。镍钴基过渡金属化合物电极材料具有较高的理论比容量，且通过调控其微纳米结构也易于提高材料电化学性能，但已有研究结果对于高比电容、倍率性能、循环稳定性镍钴基电极材料的设计及其制备方法的探索仍存在一些不足。Wen等采用电沉积方法成功合成了具有新颖微纳米结构的Ni-Co-S电极材料，在1A·g^-1电流密度下，材料的比电容为698F·g^-1，循环充放电3000次，其初始比电容保持率为84％。该材料的比电容和循环稳定性都有待进一步提高。(Y.Wen,Y.Liu,T.Wang,et al.High-Mass-Loading Ni-Co-S Electrodes withUnfading Electrochemical Performance for Supercapacitors.ACS Appl.EnergyMater,2021,4,6531-6541.)。Jiang等成功制备了Ni-Co LDH@CNFs-rGO复合电极材料，在2A·g^-1和20A·g^-1电流密度下，复合材料的比电容分别为932F·g^-1和396F·g^-1。该复合材料的倍率性能较低，在快速的充放电过程很难保持较高的电荷存储能力。(S.Jiang,J.Ding,R.Wang,et al.High Performance NiCo-LDH//Fe₂O₃ AsymmetricSupercapacitors Based on Binder-Free Electrodes with Dual ConductiveNetworks.Chemical Engineering Journal,2022,431,133936.)。

由上述分析可知，镍钴基金属化合物虽然较易通过组成和结构调控优化其电化学性能，但已有研究较难做到同时提高其比电容、倍率性能和循环稳定性，对材料设计合成方法的探索较匮乏。本发明以钴锰二元金属有机框架为前驱体，采用金属硝酸盐刻蚀沉积法和阴离子交换法有效调控了复合电极材料的金属、非金属组成及其晶型结构，进而显著优化了电极材料电化学储能性能。该复合电极材料具有优异的比电容、倍率性能和循环使用寿命，基于此电极材料的超级电容器装置也表现出较高的能量密度和功率密度。迄今未见与本发明NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料及其制备方法相同或相近似的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术问题，提供一种电化学性能优异、适用性广的NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料及其制备方法。

本发明解决技术问题采用的方案之一是：一种NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料制备方法，其特征是，包括CoMn-ZIF-67前驱体的制备和NiCoMn-LDH/S-Cu复合电极材料的制备，具体步骤如下：