基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂及制备方法与应用

本发明涉及储能器件，尤其是涉及一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂及制备方法与应用。

背景技术：

1、为解决日益严重的能源问题，亟需大力发展基于清洁、可再生能源的能量转换系统。然而，这些新能源的利用会受到自然条件的限制，比如水能和风能受地域的限制，而太阳能则受到地域和时间的限制，因此，发展高效的能量存储器件显得尤为重要。超级电容器因具有大电流快速充放电特性、循环寿命长、安全可靠等优异特点，成为当前储能电子器件中的研究热点。

2、碳纳米管作为一种典型的一维碳纳米材料，其具有大的比表面积、优异的导电性能和电化学稳定性等优点，被广泛用于超级电容器电极材料的相关研究。目前，化学气相沉积法因成本低、实验参数易于调控等优点已成为近年来最常用来合成碳纳米管的方法。然而，该方法中需使用操作严格、过程复杂、耗能大、成本高的电子束蒸发镀膜技术将催化剂蒸镀于基底表面，严重制约了碳纳米管的发展应用。

3、最近，一些研究者报道了一种由有机配体和金属离子间的金属-配体络合作用而自组装形成的沸石咪唑酯框架材料，因具有丰富的含氮基团，经高温热解可得到氮原子掺杂的多孔碳，也可与非贵金属结合形成化学键，从而成为生长碳纳米管催化剂的理想选择。目前大部分报道的沸石咪唑酯框架催化剂在高温热解过程中，其金属纳米颗粒与碳骨架易发生严重团聚，导致所构建的碳纳米管基电子器件的性能达不到预期效果。

4、专利cn110844899a公开了一种碳纳米管复合硫化钴纳米材料及其制备方法和应用，该专利的沸石咪唑酯框架由钴盐溶液、锌盐溶液和2-甲基咪唑溶液混合均匀，反应得到沉淀，洗涤、干燥后得到的，并在惰性气氛下对沸石咪唑酯骨架结构材料进行焙烧，得到碳纳米管复合金属钴纳米材料。但该专利存在的缺陷为：该专利得到的十二面体结构的沸石咪唑酯框架催化剂呈粉末状，需与导电剂和粘结剂混合，涂敷于集流体上，方可用于器件的电极材料。制备过程复杂，且导电剂和粘结剂的加入会降低器件性能。

5、因此，通过设计合理的沸石咪唑酯框架催化剂结构，制备最优性能的碳纳米管是开发碳纳米管基柔性电子器件的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的沸石咪唑酯框架催化剂在高温热解过程中，其金属纳米颗粒与碳骨架易会发生严重团聚等缺陷而提供一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂及制备方法与应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一为提供一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，包括如下步骤：

4、s1、在惰性气体气氛下一次加热碳化三聚氰胺泡沫，得到三聚氰胺碳泡沫；

5、s2、将六水合硝酸钴水溶液和2-甲基咪唑水溶液在室温下混合均匀，得到混合液；

6、s3、将s1步骤得到的三聚氰胺碳泡沫浸入s2步骤得到的混合液中室温反应，得到三聚氰胺碳泡沫/沸石咪唑酯框架复合材料；

7、s4、将s3步骤得到的三聚氰胺碳泡沫/沸石咪唑酯框架复合材料在惰性气体气氛下二次加热碳化，得到基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂。

8、进一步地，s1和s4步骤中，惰性气体为氩气。

9、更进一步地，s1步骤中，氩气流量为300～400sccm；s4步骤中，氩气流量为50～100sccm。

10、进一步地，s1步骤中，一次加热碳化的温度为500～600℃，一次加热碳化的时间为1～4h。

11、进一步地，s2步骤中，六水合硝酸钴水溶液的浓度为1～3mmol/l，2-甲基咪唑水溶液的浓度为12～20mmol/l；混合搅拌的转速为1000～1400rpm，混合搅拌的时间为1～3min。

12、进一步地，s3步骤中，室温反应的时间为6～12h。

13、进一步地，s4步骤中，二次加热碳化的温度为300～450℃，二次加热碳化的时间为1～3h。

14、本发明的技术方案之二为提供一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂，基于上述技术方案之一所述的制备方法。

15、进一步地，所述碳纳米管催化剂的粒径为1～5μm。

16、本发明的技术方案之三为提供一种如上述基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的应用，所述碳纳米管催化剂应用于超级电容器领域。

17、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

18、(1)本发明基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂采用简单的溶液法合成，相比于传统的能耗高、工艺复杂的蒸发镀膜法，此方法展示了工艺简单、成本低等优势；

19、(2)由本发明基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂所制备得到的超级电容器具有较高的面积比容量，达到541.0mf cm-2。采用的基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂中的沸石咪唑酯框架纳米片均匀生长在三聚氰胺碳泡沫骨架上，可以有效的抑制钴纳米颗粒与碳骨架的团聚现象，进一步提高材料的比表面积；另外，复合材料的各功能组分间良好的界面结合，有利于促进电荷或离子在界面之间的传输。

20、(3)本专利的电极材料是以碳泡沫为基底，无需额外加入导电剂和粘结剂；另外，得到的沸石咪唑酯框架催化剂属于二维层状纳米片结构，与后续生长的碳纳米管形成三维网络结构，该结构具有更大的比表面积，促进电荷或离子的传输，缩短了电荷或离子的迁移路径，增加了器件的导电性。

技术特征：

1.一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s1和s4步骤中，惰性气体为氩气。

3.根据权利要求2所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s1步骤中，氩气流量为300～400sccm；s4步骤中，氩气流量为50～100sccm。

4.根据权利要求1所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s1步骤中，一次加热碳化的温度为500～600℃，一次加热碳化的时间为1～4h。

5.根据权利要求1所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s2步骤中，六水合硝酸钴水溶液的浓度为1～3mmol/l，2-甲基咪唑水溶液的浓度为12～20mmol/l；混合搅拌的转速为1000～1400rpm，混合搅拌的时间为1～3min。

6.根据权利要求1所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s3步骤中，室温反应的时间为6～12h。

7.根据权利要求1所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，s4步骤中，二次加热碳化的温度为300～450℃，二次加热碳化的时间为1～3h。

8.一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂，其特征在于，基于权利要求1～7任一所述的制备方法。

9.根据权利要求8所述的一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂，其特征在于，所述碳纳米管催化剂的粒径为1～5μm。

10.一种如权利要求8所述的基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂的应用，其特征在于，所述碳纳米管催化剂应用于超级电容器领域。

技术总结
本发明涉及一种基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂及制备方法与应用，其制备方法包括如下步骤：S1、在惰性气体气氛下一次加热碳化三聚氰胺泡沫，得到三聚氰胺碳泡沫；S2、将六水合硝酸钴水溶液和2‑甲基咪唑水溶液在室温下混合均匀，得到混合液；S3、将S1步骤得到的三聚氰胺碳泡沫浸入S2步骤得到的混合液中室温反应，得到三聚氰胺碳泡沫/沸石咪唑酯框架复合材料；S4、将S3步骤得到的三聚氰胺碳泡沫/沸石咪唑酯框架复合材料在惰性气体气氛下二次加热碳化，得到基于沸石咪唑酯框架的碳纳米管催化剂。与现有技术相比，本发明采用简单的溶液法合成，相比于传统的能耗高、工艺复杂的蒸发镀膜法，此方法展示了工艺简单、成本低等优势。

技术研发人员：吕甜,戚云龙,陈涛
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13