[发明专利]基于1-硝基蒽醌共价修饰金属有机框架复合碳纳米管自支撑电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于1‑硝基蒽醌共价修饰金属有机框架复合碳纳米管自支撑电极及其制备方法。所述方法先采用一锅水热法制备CNT@UiO‑66‑NO₂，再经溶剂热法对金属有机框架的表面进行后修饰，将硝基官能团转变为偶氮键将1‑硝基蒽醌化学键合至金属有机框架的表面，制备CNT@UiO‑66‑AQ自支撑电极。本发明制备方法简单，无需后处理，制备的电极的比电容相比修饰前提升了4倍，1Ag^‑1时面积比电容达302mFcm^‑2，电流密度提升20倍时，比电容保留高达71％，5K次循环后比电容保留率为100％，具有优异的循环稳定性，适用于超级电容器。

技术领域

本发明属于自支撑电极技术领域，涉及一种基于1-硝基蒽醌共价修饰金属有机框架复合碳纳米管自支撑电极及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种有效并可靠的储能技术，因其充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、安全环保等优点而备受关注，目前在电子通信、电动汽车和航空航天系统得到了广泛应用。超级电容器的电化学性能评价标准主要包括能量密度、功率密度和循环寿命，电极作为其主要组成部分之一，电极材料的性能与超级电容器的电化学性能密切相关。

金属有机框架(MOFs)是一种由金属节点和有机配体组成的多孔材料，其结构可以通过改变金属离子和接头的性质或合成后修饰来调整。由于其优异的比表面积、高孔隙率、可调孔径和功能化的多孔表面，金属有机框架已被合成用于研究储能、分离、催化、传感、检测等领域。然而，低电导率、较差的机械和化学稳定性限制了它们在电化学储能方面的进一步应用。碳纳米管(CNT)具有大的比表面积、高导电性和优异的循环寿命，且其表面可以很容易地被羧基基团修饰等优点，常被用作电极材料里面的基底材料。

MOFs的合成后修饰(PSM)已广泛应用于气体吸附分离、催化以及电化学储能等领域。Peng等人报告了一种使用aza-Diels-Alder环加成反应作为MOF@COF-LZU1的合成后修饰，生成的具有扩展p-离域化的aza-MOFs@COFs杂化多孔材料用于高性能超级电容器时，展现出20.35mFcm^-2的比电容，在0.2Acm^-2的电流密度下2000次循环后保持率为89.3％(H.Peng,et al.,Synthesis of robust MOFs@COFs Porous Hybrid Materials via anaza-Diels-Alder reaction:Towards high-performance supercapacitormaterials.Angewandte Chemie International Edition,2020,59,19602-19609)。

有机醌具有很高的理论容量，与其他材料复合可以很大程度的提升材料比电容，然而物理沉积的醌分子在长期使用过程中往往会缓慢溶解到水性电解质中，造成容量的迅速衰减。Sheng等人在电化学聚合3,4-亚乙基二氧噻吩(PEDOT)时，向电解质中添加蒽醌-2-磺酸钠(AQS)作为氧化还原掺杂剂，与原始的PEDOT相比其比电容有了很大的提升，但由于小分子在循环过程中的溶解扩散，其容量在初始循环的1000圈内下降了几乎20％(L.Y,Sheng,et al.Boosting PEDOT energy storage with redox dopant and electrolyteadditive,Chemical Engineering Journal,2020,401,126123)。

发明内容

本发明提供一种基于1-硝基蒽醌共价修饰金属有机框架复合碳纳米管自支撑电极及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

基于1-硝基蒽醌共价修饰金属有机框架复合碳纳米管自支撑电极的制备方法，具体步骤如下：