[发明专利]一种ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种ZIF‑8热解多孔碳‑石墨烯复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料的结构为：石墨烯包裹在ZIF‑8热解多孔碳表面。制备方法包括：将六水合硝酸锌和2‑甲基咪唑混合，溶解于溶剂中，静置1～2h，得到牛奶状溶液，离心，洗涤，真空干燥，得到ZIF‑8晶体；将ZIF‑8晶体与柠檬酸钾混合，研磨，高温碳化，酸洗，干燥，即得。本发明的制备方法简单，成本低，得到的ZIF‑8热解多孔碳‑石墨烯复合材料具有化学性质稳定、电容性好、比表面积高等优点，充分利用了多级孔和三维导电框架提高电化学性能，在1A/g的电流密度下其比电容量达到了300F/g，是一种理想的超级电容器的高性能电极材料。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

沸石咪唑酯骨架结构具有优异的物理化学性能，如较高的孔隙率及比表面积，良好的化学稳定性等。这些特殊性质使其广泛应用于电化学领域。

现有技术中，纯ZIF-8热解多孔碳是由ZIF-8晶体直接碳化后得到；但是，纯ZIF-8热解多孔碳相对分散，将其用作超级电容器的电极材料比容量低，倍率性差。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体。纯石墨烯材料为二维大孔材料。目前制备石墨烯的方法为直接将有机物碳化和氧化石墨烯还原等方法，石墨烯为大孔材料，易形成网状结构；但是，纯石墨烯作为电极材料往往比容量较低，倍率性差，能量密度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料及其制备方法和应用，该方法通过化学合成制备ZIF-8晶体，再通过研磨将ZIF-8晶体和柠檬酸钾混合均匀，高温碳化将石墨烯包裹在ZIF-8热解多孔碳表面，得到电化学性能优异的ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料，制备过程环保、工艺简单、制备成本低廉。

本发明制备的ZIF-8热解多孔碳由ZIF-8晶体高温碳化得到，石墨烯的原料来源为柠檬酸钾。本发明将石墨烯与ZIF-8热解多孔碳相复合，充分提高了材料的电化学性能。

本发明的一种ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料，所述复合材料的结构为：石墨烯包裹在ZIF-8热解多孔碳表面。

所述复合材料的制备原料包括：六水合硝酸锌，2-甲基咪唑，甲醇，柠檬酸钾等。

本发明的一种ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料的制备方法，包括：

(1)将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑混合，溶解于溶剂中，静置1～2h，得到牛奶状溶液，离心，洗涤，真空干燥，得到ZIF-8晶体；

(2)将步骤(1)中的ZIF-8晶体与柠檬酸钾按质量比为1：5～1：40混合，研磨，得到均一的白色粉末，高温碳化，酸洗，干燥，得到ZIF-8热解多孔碳-石墨烯复合材料；其中，高温碳化的条件为：800℃保温2h。

所述步骤(1)中六水合硝酸锌、2-甲基咪唑和溶剂的质量比为1～5：8～10：700～800，

所述溶剂为甲醇。

所述步骤(1)中离心的条件为：8000～10000转/分钟，离心5～10分钟。

所述步骤(1)中洗涤为甲醇或乙醇洗涤2～3次。

所述步骤(1)中干燥的温度为50～60℃，真空度为-0.1～-0.08MPa。

所述步骤(2)中ZIF-8晶体与柠檬酸钾的质量比为1：20。

所述步骤(2)中高温碳化过程的氛围为氮气和氩气混合气或氩气；升温的速率为2～5℃/min。

所述步骤(2)中酸洗的条件为0.5～1.0mol/L的盐酸搅拌洗涤6～8h。