一种二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的制备方法与流程

本发明属于超级电容器电极材料的生产技术领域。

背景技术：

能源是人类赖以生存、社会和经济可持续发展的物质基础。近年来，随着社会和经济的高速发展，人们对能源的需求量日益增大，在人类的生产、生活过程中消耗了大量不可再生的化石能源，如：煤、石油、天然气等，同时产生了一些有毒、有害气体和温室气体，造成了严重的能源危机和环境问题，使得人类的生存环境受到了严重的威胁、社会和经济的可持续发展面临严峻的挑战。面对化石能源枯竭的危机，寻找新型替代能源和提高能源的存储及利用效率已成为十分紧迫的课题。

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型能量存储器件，与传统的静电电容器和电池相比，超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、循环稳定性好、使用温度范围宽、安全性高、环境友好和维护成本低等特点。超级电容器一经问世便受到人们的广泛关注，已在诸多领域得到成功的应用，如：充当记忆棒、笔记本电脑、计时器等电子产品的后备电源，用作电动玩具的主电源、太阳能电池的辅助电源。随着电动汽车以及油电或气电混合动力汽车研究的兴起和发展，超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电源，应用于汽车的启动系统，或者直接作为汽车的动力电源使用。2009年超级电容器产业的总规模约27.5亿美元，据估测到2014年止，超级电容器的市值每年平均以21.4%的速率递增。随着超级电容器技术的不断发展，超级电容器的市场份额也将不断的扩大。

金属有机骨架代表着一大类数量、组成和结构多样性的材料。金属有机骨架可以在较低温下通过便宜的，高产的合成方法来制备。水热溶剂热法是最常见的方法，另外还可通过微波、超声波、电化学和扩散的方法来合成。金属有机骨架可以通过相对较便宜的前驱体制备。硝酸盐，硫酸盐和氯化盐等无机盐作为典型的金属离子前驱体。有机连接体一般采用多齿的有机配体，比如羧酸盐，唑类和腈类。在许多合成当中，结构导向剂经常被用于帮助结构单元组装形成金属有机骨架而不会参与到最终化合物的结构式之中。

与无机多孔材料的高比表面积相比，一些金属有机骨架表现出一种柔性结构，它可表现为动态行为，随着外部因素比如客体分子，温度，压力等而变化。金属有机骨架的整个框架是有配位键或者其他弱的相互协助作用（氢键，π-π键，范德瓦尔斯力）来支撑。因此，结构灵活性通常是在温和条件下，这种条件可允许那些金属有机骨架根据外部因素可逆调节孔隙的大小。这种灵活性为探索催化、气体分离、药物存储和运输、成像与传感。光电和能源存储等性能提供了新的可能。虽然金属有机骨架的结构、合成、性质和在各种领域的应用已经在许多文献综述里详细介绍过，但是它们在电化学领域内的应用还没有被详细报道过。金属有机骨架在这方面的研究最近才逐渐展开，在电化学中的重要应用是能量存储和转换（超级电容器，电池，燃料电池），高度氧化物和有毒化合物的还原。根据定义，电化学涉及电子在电极和电解液界面的转移和存储。大部分金属有机骨架材料由于其较弱的导电性能使它们排除在优先作为电极材料和催化材料之外。然而金属有机骨架已经被成功的作为可充电电池的电极材料，也设想了克服它们绝缘性质的方法。金属有机骨架内部金属离子的氧化还原行为可以提供一种电子转移的途径，另外聚合物内部桥连体结构的调整可能导致更好的电子转移。

目前为止，金属有机骨架在电化学中的应用主要：1、作为电池的电极材料，包括做锂离子电池的正极，负极，锂硫电池的正极；2、发生在燃料电池或者电解器中的某种重要反应的电催化剂；3、作为超级电容器电极材料等。前面已有将金属有机骨架材料用于超级电容器电极材料，但其倍率性能以及循环稳定性还有待提高，因此制备高性能的金属有机骨架电极材料具有很大的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于为超级电容器提供一种二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的制备方法。

本发明技术方案是：将预热的硫酸氧钒和预热的对苯二甲酸钠溶于n,n-二甲基甲酰胺，然后将混合体加热至回流进行反应，取反应生成的固相以甲醇进行洗涤后真空干燥，得二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料。

本发明采用简易的加热回流合成的方法，原料易得、设备成本低廉、操作简单、耗时短。与现有技术相比，制备方法简单，适用于大规模生产，同时所制备的材料具备良好的循环稳定性。本发明在利用钒金属有机骨架高电容活性以及高导电性的基础上，通过形成二维棒状结构来提高比表面积，使获得的产品具有优秀的超级电容性能。在0.5a/g的电流密度下，比电容可达到513f/g；在10a/g的高电流密度下，比电容依然可达到425f/g；在1a/g的电流密度下，经过10000次充放电循环，其容量为原来的92.8%。

进一步地，本发明所述预热的硫酸氧钒的温度为80℃。所述预热的对苯二甲酸钠的温度为80℃。在该温度下，既可以保证硫酸氧钒和对苯二甲酸钠充分干燥，又可以保证硫酸氧钒和对苯二甲酸钠的化学性质不发生改变。而采用干燥的硫酸氧钒和对苯二甲酸钠可以减少后续的无水的n,n-二甲基甲酰胺体系中加热反应中的副反应的发生，提高反应产率。

所述硫酸氧钒和对苯二甲酸钠的投料摩尔比为1∶1。在该投料比的条件下，硫酸氧钒和对苯二甲酸钠符合原子经济，利于反应的充分进行和两种原料的充分利用。

所述硫酸氧钒和对苯二甲酸钠的总量与n,n-二甲基甲酰胺的投料比为1mmol∶5～10ml。在该投料比的条件下，硫酸氧钒、对苯二甲酸钠可以充分溶解于n,n-二甲基甲酰胺中。

所述反应的混合体温度为160℃。在该温度条件下，最利于形成二维棒状结构钒金属有机骨架。

附图说明

图1为制备的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的扫描电子显微镜图。

图2为制备的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的恒流充放电图。

图3为制备的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的循环稳定性能图。

具体实施方式

二、制备二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料：

说明：本发明中所使用的药品均为市售产品或实验室常规药品。

实施例1：将硫酸氧钒和对苯二甲酸钠在使用前在80℃的条件下加热12小时，将2.0mmol的硫酸氧钒和2.0mmol的对苯二甲酸钠加入圆底烧瓶中，随后加入20mln,n-二甲基甲酰胺，油浴将混合物加热至160℃，回流反应72小时，溶液中出现黄色固相，将固相用甲醇多次洗涤，然后在80℃的条件下真空下干燥12小时，得到二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料。

实施例2：将硫酸氧钒和对苯二甲酸钠在使用前在80℃的条件下加热12小时，将2.0mmol的硫酸氧钒和2.0mmol的对苯二甲酸钠加入圆底烧瓶中，随后加入30mln,n-二甲基甲酰胺，油浴将混合物加热至160℃，回流反应72小时，溶液中出现黄色固相，将固相用甲醇多次洗涤，取固相洗涤，在80℃的条件下真空下干燥12小时得到二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料。

实施例3：将硫酸氧钒和对苯二甲酸钠在使用前在80℃的条件下加热12小时，将2.0mmol的硫酸氧钒和2.0mmol的对苯二甲酸钠加入圆底烧瓶中，随后加入40mln,n-二甲基甲酰胺，油浴将混合物加热至160℃，回流反应72小时，溶液中出现黄色固相，将固相用甲醇多次洗涤，取固相洗涤，在80℃的条件下真空下干燥12小时得到二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料。

二、制备超级电容器：

取以上各例制成的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料80mg分别与乙炔黑15mg、聚四氟乙烯5mg混合，并用研钵分别进行充分研磨混合，随后滴加3～5ml异丙醇，将混合溶液进行超声处理10～15min。

然后分别将混合溶液均匀滴加在三块泡沫镍上，自然干燥1～2天后压片，取得电极片试样。

再分别以三块电极试样为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以铂片电极为对电极，以1mol/l硫酸钠溶液为电解液，组装实验超级电容器，进行恒流充放电测试。

制备的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的恒流充放电如图2所示，由图2可见：该电极材料在0.5、1、2、5和10a/g的电流密度下测试充放电性能，计算得到的比电容分别为572、520、516、505和495f/g。

制备的二维棒状结构钒金属有机骨架电极材料的循环稳定性能如图3所示，由图3可见：在1a/g的电流密度下循环10000次后比电容剩余92.8%。