[发明专利]具有超级电容性能的铜金属有机框架材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有超级电容性能的铜金属有机框架材料及其制备方法与应用，该制备方法包括如下步骤：先将4,2′:6′,4″‑三吡啶‑4′‑苯甲酸与溴化亚铜混合后，再加入甲醇充分搅拌溶解后得到混合溶液，用氢氧化钠调节混合溶液的pH为6.8～7.2；然后将混合溶液置于110～140℃下反应24～60小时后，降温过滤分离析出晶体，最后晶体经过洗涤、干燥处理，即得到具有超级电容性能的铜金属有机框架材料。本发明采用4,2′:6′,4″‑三吡啶‑4′‑苯甲酸与溴化亚铜通过水热方法合成了具有三维结构和导电网络框架的Cu‑MOF材料，该材料具有高比电容，良好的速率能力和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及超级电容领域，具体地指一种具有超级电容性能的铜金属有机框架材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着经济快速发展、各种交通工具和电子智能产品数量不断攀升，传统燃料被大量消耗。为解决人类即将面临的能源与资源短缺、生态环境恶化的严峻局面，发展兼备高能量密度和大功率密度的高效绿色能源存储器件已成为一种可能解决手段。作为新型储能器件，超级电容器具备高于传统电容器功率密度和二次电池能量密度的优点，同时还具有充放电时间短、循环性能好、库伦效率高以及对环境友好等特点，因而成为本世纪最具潜力的新型绿色能源之一。目前，对超级电容器研究主要集中在电极材料的合成、电解液的制备及电容器的组装等领域。其中，超级电容器电容性能与电极材料的结构、性质等密切相关。因此，开发具有高能量密度、高功率密度、高循环稳定性的电极材料对超级电容器的发展具有重要意义。

金属有机骨架(MOFs)作为新材料具有可变的结构和性质，已在多个领域展现了广泛的应用前景，比如作为气体储存、催化、磁性、太阳能电池材料应用等。在过去几年中，对基于MOFs的材料的超级电容器的研究日益增长，相关研究结果表明利用MOFs作为超级电容电极的活性物质材料并应用于大型储能装置是行之有效的一种途径。

将MOFs材料用作超级电容器的使用主要有两种策略：一种是将MOFs用作制备金属氧化物，混合金属氧化物，金属纳米颗粒和多孔碳化合物的模板；另一个是MOFs直接用作超级电容器的活性电极材料。然而，现有的MOFs材料的比电容值十分有限，大多为400～600F·g^-1，限制了MOFs材料的应用。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种具有超级电容性能的铜金属有机框架材料及其制备方法与应用，该制备方法采用4,2′:6′,4″-三吡啶-4′-苯甲酸与溴化亚铜通过水热方法合成了具有三维结构和导电网络框架的Cu-MOF材料，该材料具有高比电容，良好的速率能力和良好的循环稳定性。

为实现上述目的，本发明所提供的一种具有超级电容性能的铜金属有机框架材料，该铜金属有机框架材料的中心金属Cu原子为五配位方式，呈现扭曲的四方锥构型；每个Cu原子的四个平面位置分别由一个单齿配位的羧基、两个吡啶环和一个水分子占据，顶点位置由一个溴离子占据，每个Cu原子通过溴离子和水分子与相邻Cu原子通过中心对称连接形成双核铜节点；

所述铜金属有机框架材料的化学式为[Cu₂BrH₂O(L)₂]_n，其中L为4,2′:6′,4″-三吡啶-4′-苯甲酸阴离子配体，L的化学式为C₁₆H₁₀N₃O₂；所述铜金属有机框架材料的结构式如下：

其中，n为重复单元数，且n为正整数。

进一步地，所述金属有机框架材料属于单斜晶系，C2/c空间群，晶胞参数为α＝γ＝90°，β＝116.89°，晶胞体积为