[发明专利]一种碳基普鲁士蓝类似物复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳基普鲁士蓝类似物复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将含过渡金属元素的碳材料置于含金属氰根的化合物的水溶液中浸泡，浸泡之后在溶液中加入酸溶液进行反应，反应结束后水洗、干燥，得到碳基普鲁士蓝类似物复合材料。本发明的制作方法简单，相比于传统的普鲁士蓝类似物材料，具有高的容量，优异的电子传输能力和稳定性。合成的复合材料中普鲁士蓝类似物内外稳定均匀分布且颗粒较小，增强了普鲁士蓝类似物的利用率及电化学性能，而作为载体的碳材料更可以大幅度改善电极的导电性，因而作为电极材料对离子很有极高的容量。因此作为电池或电容器时，在储能和离子吸附中具有很高的容量，可广泛应用于储能和离子吸附等领域。

技术领域

本发明涉及一种碳基普鲁士蓝类似物复合材料及其制备方法与应用，本发明制备的材料可用于水体中离子的吸附和电池或电容器储能。

背景技术

普鲁士蓝类似物具有优良的反应可逆性，高度的稳定性，容易制备，成本低廉和环境友好等优点，从简单的作为染料、显色剂，到作为储氢，生物传感，海水淡化，核电站废水的吸附剂、电化学的电极修饰材料和电显色剂等，在越来越多的领域得到了应用。尤其是近年来，由于普鲁士蓝类似物巨大的三维离子通道使得离子可以快速嵌脱；金属和C≡N的配位稳定常数极高，可以维持三维框架结构的稳定，较大的框架结构还可以缓解离子嵌脱时的结构应力；极低的溶解度常数有效避免了在水溶液体系中的溶解流失问题，具有较长的循环寿命等优势，在电池和电容器材料方面也表现出较为广泛的应用前景。

但纯普鲁士蓝类似物材料的导电性和材料利用率较差，严重影响了普鲁士蓝类似物的性能。因此，许多研究人员使用各种方法，如与碳材料掺杂和复合来改善其性能。但对于掺杂的方法很难改善普鲁士蓝材料的稳定性及利用率，而对于传统的复合方法，制备方法又过于复杂，难以批量制备。因此，十分必要一种制备方法简单的，普鲁士蓝类似物利用率高的，可批量，电极稳定性及导电性好的碳基普鲁士蓝类似物复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳基普鲁士蓝类似物复合材料及其制备方法与应用，所制备的材料可用于水体中离子的吸附和电池或电容器的储能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种碳基普鲁士蓝类似物复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将含过渡金属元素的碳材料置于含金属氰根的化合物的水溶液中浸泡，浸泡之后在溶液中加入酸溶液进行反应，加入酸溶液后的混合溶液pH5，反应结束后水洗、干燥，得到碳基普鲁士蓝类似物复合材料。

优选地，所述含过渡金属元素的碳材料中的过渡金属元素包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锰(Mn)和锌(Zn)等过渡金属元素的单质及氧化物中的任意一种或多种。

优选地，所述含过渡金属元素的碳材料中的碳材料包括碳纳米管，碳纳米纤维，活性碳，多级碳，碳黑，氧化/还原石墨烯，碳球，热解碳和石墨碳等碳材料中的任意一种或多种。

优选地，所述含过渡金属元素的碳材料为金属或金属氧化物/碳纳米纤维。

更优选地，所述金属或金属氧化物/碳纳米纤维为氧化铁/碳纳米纤维。

更优选地，所述金属或金属氧化物/碳纳米纤维的制备方法包括：将高分子聚合物和金属化合物溶解在有机溶剂中，加热搅拌均匀，形成纺丝溶液；利用静电纺丝工艺，将聚合物溶液纺成金属化合物/纳米纤维膜；将金属化合物/纳米纤维膜在预氧化和碳化过程后得到金属或金属氧化物/碳纳米纤维。

进一步地，所述高分子聚合物包括聚乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺、聚苯并噻唑、酚醛树脂和聚丙烯腈等高分子聚合物中的任意一种或几种。

进一步地，所述金属化合物包括乙酰丙酮铁、柠檬酸铁、乙酸铁、氯化铁、乙酰丙酮铜、柠檬酸铜、乙酸铜、氯化铜、乙酰丙酮钴、柠檬酸钴、乙酸钴、氯化钴、乙酰丙酮镍、柠檬酸镍、乙酸镍、氯化镍、乙酰丙酮锰、柠檬酸锰、乙酸锰、氯化锰、乙酰丙酮锌、柠檬酸锌、乙酸锌、氯化锌等过渡金属化合物中的任意一种或几种。