[发明专利]一种复合多孔碳气凝胶材料及其制备方法和用途

说明书

一种复合多孔气凝胶材料，包括纳米纤维素、氧化石墨烯、ZIF‑Zn/Co，所述纳米纤维素、氧化石墨烯通过分子间相互作用力交织形成3D网络结构，所述ZIF‑Zn/Co通过分子间相互作用力均匀分散在3D网络结构上，该材料在惰性气氛下，经炭烧、保温、降温制备得到复合多孔碳气凝胶材料，具有优异的电化学性能和机械强度，可以用于制备电极材料。

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种复合多孔碳气凝胶材料及其制备方法和用途。

背景技术

碳气凝胶是由碳纳米材料形成的具有三维多孔网络结构材料。由于其独特的物理性质，包括表观密度低、比表面积大、孔隙结构丰富、电导率高、化学稳定性好等，自首次获得以来就受到了广泛的关注。基于上述特性，碳气凝胶已被制成万花筒，并广泛应用于储能、保温、环境净化、化学传感器、以及生物医学和制药等领域。然而，碳气凝胶由于其多孔网络结构中的连接极稀、接头脆弱，导致其机械强度较差，限制了碳气凝胶的应用范围。

生物质碳气凝胶因其成本低、可再生、可持续发展和环境友好性而成为最具活性的碳气凝胶多孔材料。其中最受关注的是纳米纤维素碳气凝胶，其高长径比能够支撑构筑多尺度，其多层级结构可以维持石墨烯单层特性，保证材料结构可调控和功能化，并且，它具有亲水的表面官能团，如羟基和羧基，是一种理想的骨架支撑材料和储能材料。

金属有机框架(MOFs)，是一种由有机配体和簇状的金属离子形成的具有周期性网络结构的新型晶体多孔材料。由于其独特的特性，易于结构后修饰、灵活的物理特性和带隙可调性，被认为是未来用于能源存储和发电、化学传感器和光敏剂的候选材料。但不可忽视的是，由于其离子的电导率低、结构柔韧性弱、易团聚等原因，MOFs基储能器件的电化学性能并不理想。通过快速热解，可以将组织良好的骨架转化为异质原子装饰均匀的碳，并能部分保留MOFs的长程有序和高孔隙率，从而得到高表面积的多孔碳。

石墨烯是一种单原子厚度的单层碳材料，具有重量轻、稳定性高、电导率高、比表面积高等许多优良性能，因此具有制造高性能超级电容器的潜力。但石墨烯也存在一些不可避免的问题，限制了其在超级电容领域的实际应用。此外，石墨烯片会产生堆叠，导致石墨烯中的小孔隙无法充分接触电解液石墨烯的比电容较小。

因此，如何制备一种稳定、电化学性能优良的复合材料，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种复合多孔碳气凝胶材料，其密度低、结构易调控，比表面积大、空隙率高且孔径均一，具有优异的稳定性和电化学性能。

本发明的目的之二是提供上述复合多孔碳气凝胶材料的制备方法，所用原料环保易得，制备过程经济简单。

本发明的技术方案之一是：一种复合多孔气凝胶材料，包括纳米纤维素、氧化石墨烯、ZIF-Zn/Co，所述纳米纤维素、氧化石墨烯通过分子间相互作用力交织形成3D网络结构，所述ZIF-Zn/Co通过分子间相互作用力均匀分散在3D网络结构上。

进一步的，纳米纤维素、氧化石墨烯、ZIF-Zn/Co的质量比为2:1:5。

上述复合多孔气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取纳米纤维素、氧化石墨烯、ZIF-Zn/Co制备得到纳米纤维素/氧化石墨烯/ZIF-Zn/Co悬浮液；

2)纳米纤维素/氧化石墨烯/ZIF-Zn/Co悬浮液在液氮中预处理后，通过冷冻干燥，得到复合多孔气凝胶材料。

进一步的，步骤1)纳米纤维素为纳米纤维素水溶液，浓度为0.1-1.0wt％，所述氧化石墨烯为氧化石墨烯分散液，浓度为5-10mg/mL，纳米纤维素水溶液和氧化石墨烯分散液的体积比为2-4：1-2。