[发明专利]一种层叠交联结构超级电容器电极材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种层叠交联结构超级电容器电极材料、其制备方法及其应用，材料包括基底、聚吡咯PPy电荷传输层、金属有机框架ZIF‑67活性层、石墨烯保护层；所述基底表面电镀有聚吡咯PPy电荷传输层，聚吡咯PPy层表面电镀有金属有机框架ZIF‑67活性层，金属有机框架ZIF‑67活性层表面再电镀石墨烯保护层，石墨烯保护层可作为电荷传输层。聚吡咯PPy电荷传输层、金属有机框架ZIF‑67活性层、石墨烯保护层之间的协同作用能够充份保持各自的优势，既能充分利用石墨烯的双电层电容性能，又能充分利用金属有机框架活性层的赝电容性能，结合上下电荷传输层加速电子传输行为，使得本发明的层叠交联结构超级电容器电极材料的电容器具有优良的比电容和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种层叠交联结构超级电容器电极材料、其制备方法及其应用，尤其是一种具有高比电容和循环稳定性的层叠交联结构超级电容器电极材料、其制备方法及其应用。

背景技术

随着世界人口的迅速增长、有限化石燃料的过度消耗引起世界能源危机、以及便携式电子设备和新能源电动汽车的迅速发展，正迫使人类去寻找新型可替代能源。然而，太阳和风能等可再生能源的间歇性性质需要高效的能源储存系统，以提供持续的能源供应；超级电容器是一种很有前途的清洁绿色电源，并在电子设备和混合动力汽车上得到了潜在的应用；超级电容器主要通过两种电荷存储机制存储电能：电双层电容和法拉第氧化还原反应。

金属有机框架MOFs，也被称为多孔配位聚合物，是一种新的多孔晶体材料，由高密度金属离子和可修饰的桥接有机配体组成；由于其结构可调，高孔隙密度，以及高比表面积，其在气能源储存、分离、催化、传感器和药物输送等许多领域得到了广泛的探索；金属有机框架的多孔性也让其成为了超级电容器的理想材料；然而，一方面其电容性能相对较低，这是由于其本身较差的导电性，因为它本身的绝缘性质和金属离子中心的导电和非导电相混合，电子不能最优地穿过金属离子中心结构，从而氧化/还原反应不充分所导致；另一方面，其结构在电解液中不稳定，因为在还原过程中会发生一定程度的金属阳离子溶解导致框架中具有氧化还原活性的金属阳离子减少；因此，采用高有效的策略提高其电容性能及循环稳定性，使其在超级电容器应用中具有潜在的意义和重要的应用价值。

现有研究报道中，Lee等人(Microporous Mesoporous Mater.,171,2013,53-57)，报道了一种Co-MOF，没有导电电荷传输层的辅助，表现出较低的质量比电容，在三电极测试中10mV/s的扫描速率下其比电容只有179.2F/g。Rahmanifar等人(Electrochimica Acta,275,2018,76-86)，报道了一种Ni/Co-MOF-rGO纳米复合材料在1.0A/g时的比电容为860F/g；中国专利“一种聚苯胺基MOF纳米复合材料柔性超级电容器的制备方法”(公开号CN107578927B)，合成的电极材料电解液离子和电荷传输效率低，在电流密度为1A/g时，比容量为1015F/g。另有中国专利“一种MOF衍生多孔碳盒负载Co3V2O8复合负极材料及其制备方法和应用”(公开号CN110943213A)，合成的电极材料暴露在电解液中没有保护层的保护，在充放电过程中电极材料结构易损伤，从而表现出较差的循环稳定性，循环次数为100次左右；为了克服上述问题，本发明旨在解决金属有机框架材料电化学活性不足和碱性环境下循环稳定性差双重问题；本发明通过设计和实现一种层叠交联结构的超级电容器材料，分别以聚吡咯PPy为底部电荷传输层和着落层，MOF材料为中间赝电容活性层，再以还原氧化石墨烯为最外层保护层和电荷传输层；该设计下电极材料作为超级电容器的应用具有很好的电化学储能性能和循环稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高比电容和循环稳定性的层叠交联结构超级电容器电极材料制备方法及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种层叠交联结构超级电容器电极材料，包括基底、聚吡咯PPy电荷传输层、金属有机框架ZIF-67活性层、石墨烯保护层；