[发明专利]一种金属有机框架原位活化中空碳球及其制备方法和应用

说明书

本发明属于无机非金属材料和电化学领域，公开了一种金属有机框架原位活化中空碳球及其制备方法和应用。所述制备方法为：（1）将锌盐、配体和聚乙烯吡咯烷酮加入有机溶剂中，搅拌后放入反应釜中，将反应釜置于110~200℃的烘箱中反应，冷却，清洗后于60~120℃保温，获得中空金属有机框架颗粒；（2）将烘干后的金属有机框架颗粒置于炉膛内，以每分钟5℃的升温速率升到550~750℃，保温1~10小时，自然冷却到室温，得到中空碳球；（3）将中空碳球升到800~1400℃，保温1~10小时，自然冷却到室温，浸泡，清洗，抽滤/离心烘干后，获得原位活化的中空碳球。本方法制备简单、操作容易、成本低，获得中空碳球在超级电容器和碱金属电池领域具有很高的应用价值。

技术领域

本发明属于无机非金属材料和电化学领域，特别涉及一种金属有机框架及其原位活化中空碳球的制备方法及其材料用于超级电容器、锂离子电池或电催化领域的应用。

背景技术

随着世界可再生能源的减少，人们对于可再生能源的研究、开发和利用越来越完善。但是新材料的出现，往往能给新能源领域带来意外的惊喜。因此探索和研究新材料非常有意义。金属有机框架（MOF）是一种金属位点和有机配体相互配位形成的新型材料。因其本身含有的金属离子和有机配合物双重优势，可以原位衍生金属氧化物、碳材料以及含金属/碳复合材料。衍生材料可以遗传MOF前驱体的结构信息，例如：特定的形貌（二十面体、正八面体和棒状等），孔道结构，孔径分布等。因此具有优势的MOF前驱体的合成方法对于其衍生材料的制备尤为重要。另外，中空结构相对于实心结构，具有较大的空腔和比表面积，有助于提高材料的活性面积。

申请号为CN201010128464.2的发明专利一种单分散中空碳球的制备方法和申请号为CN201010128464.2的发明专利公开了采用模板法制备中空碳球的的方法，该方法需要特定的模板，常常伴随着二次处理过程，容易导致环境污染和结构破坏；申请号为CN201910670472.0的发明专利公开了一种中空碳球的制备方法，该方法需要适宜的热解碳源。与此同时，常规碳材料在作为电极材料之前都需要进行活化处理，提高材料的活性位点及活性比表面积。原位活化碳材料可以免添加活化剂及后续的活化剂处理步骤，节能减排，提升碳材料的经济价值。因此，原位活化中空金属有机框架衍生中空碳球的制备方法，更有益于获得结构优异，性能较好的材料，具有较高的经济价值。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种金属有机框架原位活化中空碳球的制备方法，该方法简单且容易操作，具有很好的可扩展性，能够大规模应用，广泛提

高碳球的比表面积、活性位点、循环稳定性和减少体积膨胀。

本发明的另一发明目的是提供了一种上述制备方法制备的金属有机框架原位活化中空碳球，所述中空碳球比表面高，活性位点多，循环稳定性好。

本发明的又一发明目的是提供上述中空碳球的应用，所述中空碳球用于超级电容器、锂/钠/钾离子电池领域，可以提高超级电容器的比容量和锂/钠/钾电池的容量和循环性能。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属有机框架原位活化中空碳球，所述中空碳球的外径尺寸为0.45-1.15 μm，内径尺寸为0.35-0.95 μm，比表面积为600-1500 cm^-3 g^-1。

进一步地，上述中空碳球由以下成分组成：C 95.5 at.%-99.2 at.%、N 0.8 at.%-3.7 at.%和O 0-0.8 at.%。

一种上述金属有机框架原位活化中空碳球的制备方法，采用以下步骤：

（1）将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、配体和锌盐加入有机溶剂中，搅拌得到澄清溶液；然后澄清溶液进行溶剂热反应，反应结束自然冷却到室温，洗涤、干燥，获得浅黄色的金属有机框架颗粒；