CN107739023A - 一种多面体双金属氧化物及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多面体双金属氧化物及其制备方法和用途，该多面体双金属氧化物是以沸石咪唑酯骨架结构材料为原料，采用一种金属取代沸石咪唑酯骨架结构材料中的部分金属，然后通过加热氧化得到的多面体双金属氧化物。最后以多面体双金属氧化物材料作为活性物质，炭黑作为导电剂，聚四氟乙烯作为粘接剂，再加入溶剂N,N‑二甲基吡咯烷酮，制得混合液；将配制的混合液滴在镍片上，干燥，得到双金属氧化物电极。本发明的制备方法条件温和、工艺简单、操作可控；所制得的多面体双金属氧化物电极在浓度1mol/L的NaOH电解液中充放电电流密度分别为1A/g时，比电容分别高达510F/g，充放电3000次后，比电容衰减25％。

Description

一种多面体双金属氧化物及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及化学材料制备领域，尤其涉及的是一种多面体双金属氧化物及其制备方法。
背景技术
从原始社会到现代化社会，人类文明、科技等方面进步都离开诸多物质的支持，各个时期都有着最主要的物质基础，现在被认为是主导人类未来发展方向的主要基础物质与技术是能源、材料、信息和生物技术，而四者中能源被认作是最基本的物质基础。能源在人们的生存中是不可替代的物质，从生产到日常生活都会直接或间接地消耗能源，因此可以说只有能源充足才能推动人类社会、文明的发展进步。能源的基础作用，使其对世界经济的影响始终处于第一位。因此，作为一个发展中国家为了加快现代化的建设速度，必须将能源的发展作为经济发展的战略重点，确保能源产出速度、利用率可以跟得上我国发展需求。发展新能源、新材料是21世纪必须解决的重大课题[1]。
在种类诸多的金属氧化物里，RuO2具有导电性高、电位区间宽、寿命时间长、化学性质稳定等优点。这种金属氧化物的理论容量可以达到1358F g-1，因此它是一种电化学性能极为优秀的电极材料。鉴于其优异的性能，研究人员制备了各种各样的RuO2材料用于超级电容器的研究，但遗憾的是比较实用的RuO2块体材料因其比表面积较小、结晶度过大等原因无法用来制作超级电容器的电极材料。尽管以RuO2为电极材料制备的法拉第赝电容具有较高的比电容，但是其价格过于高昂、污染环境，而且只能在强酸性电解液中工作的特性，使其无法投入到工业中使用。研究人员为了降低RuO2电极材料的制作成本，将RuO2沉积在低成本的材料上合成复合材料，虽然这种方法在一定程度上降低了成本，但是依然无法满足工业化的需求。因此，更多的研究者将关注点转移到了过渡金属氧化物和氢氧化物上。过度金属氧化物在作为储能器件电极方面有着得天独厚的优势，因为他们既可以相互之间进行参杂获得双金属或多金属氧化物，又可以与其他材料结合制备出复合型电极材料，例如在后面会谈到的金属有机骨架。
双金属氧化物顾名思义是指在氧化物晶格中含有两种金属元素的单相氧化物或者氧化形成的含有两种金属元素的氧化产物,主要包括铁酸盐、钻酸盐和镍酸盐等。两种金属元素在的电化学过程中可能出现两者的协同效应(一种化学现象，又称增效作用，是指两种或两种以上的组分相加或调配在一起，所产生的作用大于各种组分单独应用时作用的总和)。而使得双金属氧化物的电化学性能一般会比其单金属氧化物的性能要好。通过空气中热解双金属的MOF材料,可以合成多孔状双金属氧化物。该方法合成的双金属氧化物,不仅存在大量的孔隙,而且结构稳定,作为锂电池或超级电容器负极材料可能具有比单金属氧化物更优良的性能，因而具有广泛的研究前景。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多面体双金属氧化物及其制备方法和用途。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多面体双金属氧化物，其是以沸石咪唑酯骨架结构材料为原料，采用一种金属取代沸石咪唑酯骨架结构材料中的部分金属，然后通过加热氧化得到的多面体双金属氧化物。
优选的，所述沸石咪唑酯骨架结构材料为ZIF-8或ZIF-67。
优选的，取代所采用的金属为过渡元素金属，如铁、钴、镍、铜、锌。
一种多面体双金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：
(1)合成含有过度金属的沸石咪唑酯骨架结构材料
将Co(NO3)2·6H2O或Zn(NO3)2·6H2O和过渡金属的硝酸盐水合物溶于去离子水中，得到溶液A，将2-甲基咪唑和三乙胺溶于去离子水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合，将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心；用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到含有过度金属的沸石咪唑酯骨架结构材料；
(2)多面体双金属氧化物材料的制备
将步骤(1)得到的含有过渡金属的沸石咪唑酯骨架结构材料置于管式炉中氧化，然后在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物。
优选的，所述步骤(1)中，(Co(NO3)2·6H2O+过渡金属的硝酸盐水合物)：2-甲基咪唑：三乙胺的摩尔比为1：8：8。
优选的，所述步骤(2)中，将含有过渡金属的沸石咪唑酯骨架结构材料置于350℃管式炉中氧化3小时。
本发明的多面体双金属氧化物用于制作电极的用途，所述电极由以下方法制备得到：
采用多面体双金属氧化物作为活性物质，炭黑作为导电剂，聚四氟乙烯作为粘接剂，将活性物质、导电剂、粘结剂按质量比8:1:1的比例在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入溶剂N,N-二甲基吡咯烷酮，充分搅拌使其混合均匀；将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，置于80-100℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
所述溶剂N,N-二甲基吡咯烷酮的用量为：1毫克聚四氟乙烯加0.6-2ml N,N-二甲基吡咯烷酮。
所述多面体双金属氧化物电极用于制备超级电容器。
有益效果：本发明提供的多面体双金属氧化物，以ZIF材料为牺牲模版，采用过渡元素金属取代ZIF中的部分金属，通过简单的加热氧化就可以得到多面体双金属氧化物，氧化后不破坏ZIF的原有形貌。本发明的制备方法条件温和、工艺简单、操作可控；所制得的多面体双金属氧化物电极在浓度为1mol/L的NaOH电解液中充放电电流密度分别为1A/g时，比电容分别高达510F/g，充放电3000次后，比电容衰减25％。
附图说明
图1为本发明制备得到的多面体双金属氧化物的扫描电镜图；
图2a-图2c为本发明制备得到的多面体双金属氧化物的电化学性能；其中，图2a是电流-电位曲线，图2b是电位-时间曲线，图2c是电容-循环曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
1、合成含Fe的zif-67
称取0.4774g Co(NO3)2·6H2O和0.331g Fe(NO3)2·6H2O溶于50ml去离子水中形成溶液A；称取1.622g 2-甲基咪唑和3ml三乙胺溶于50ml去离子水中形成溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合；其中，Co(NO3)2·6H2O+Fe(NO3)2·6H2O，2-甲基咪唑和三乙胺的摩尔比为1：8：8；将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心。用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到含铁的zif-67粉末；
2、多面体双金属氧化物材料的制备
将得到的含铁的zif-67粉末置于350℃管式炉中氧化3小时，在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物材料。多面体双金属氧化物材料的高分辨透射电镜照片如图1所示。从图中可以看出，双金属氧化物很好的继承了ZIF-67的形貌。
3、电极制备
分别称取多面体双金属氧化物材料16mg，炭黑2mg，聚四氟乙烯2mg，在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入2ml的溶剂NMP(N,N-二甲基吡咯烷酮)，充分搅拌使混合均匀，将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，将电极片置于80℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
如图2所示，所制得的多面体双金属氧化物电极在1mol/L的NaOH电解液中充放电电流密度分别为1A/g时，比电容分别高达510F/g，充放电3000次后，比电容衰减25％。
实施例2
1、合成含镍的zif-67
称取0.4774g Co(NO3)2·6H2O和0.238g Ni(NO3)2·6H2O溶于50ml去离子水中形成溶液A；称取1.622g 2-甲基咪唑和3ml三乙胺溶于50ml去离子水中形成溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合；其中，Co(NO3)2·6H2O+Ni(NO3)2·6H2O，2-甲基咪唑和三乙胺的摩尔比为1：8：8；将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心。用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到含铁的zif-67粉末；
2、多面体双金属氧化物材料的制备
将制得的含Ni的zif-67粉末置于350℃管式炉中氧化3小时，在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物材料。
3、电极制备
分别称取多面体双金属氧化物材料16mg，炭黑2mg，聚四氟乙烯2mg，在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入2ml的溶剂NMP(N,N-二甲基吡咯烷酮)，充分搅拌使混合均匀，将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，将电极片置于80℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
实施例3
1、合成含铁的zif-8
称取0.488g Zn(NO3)2·6H2O和0.331g Fe(NO3)2·6H2O溶于50ml去离子水中形成溶液A；称取1.622g 2-甲基咪唑和3ml三乙胺溶于50ml去离子水中形成溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合；其中，Zn(NO3)2·6H2O+Fe(NO3)2·6H2O，2-甲基咪唑和三乙胺的摩尔比为1：8：8；将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心。用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到含铁的zif-8粉末。
2、多面体双金属氧化物材料的制备
将制得的含Fe的zif-8粉末置于350℃管式炉中氧化3小时，在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物材料。
3、电极制备
分别称取多面体双金属氧化物材料16mg，炭黑2mg，聚四氟乙烯2mg，在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入2ml的溶剂NMP(N,N-二甲基吡咯烷酮)，充分搅拌使混合均匀，将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，将电极片置于80℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
实施例4
1、合成含镍的zif-8
称取0.488g Zn(NO3)2·6H2O和0.238g Ni(NO3)2·6H2O溶于50ml去离子水中形成溶液A；称取1.622g 2-甲基咪唑和3ml三乙胺溶于50ml去离子水中形成溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合；其中，Zn(NO3)2·6H2O+Ni(NO3)2·6H2O，2-甲基咪唑和三乙胺的摩尔比为1：8：8；将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心。用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃烘箱中干燥12-24h，得到含铁的zif-8粉末。
2、多面体双金属氧化物材料的制备
将制得的含Ni的zif-8粉末置于350℃管式炉中氧化3小时，在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物材料。
3、电极制备
分别称取多面体双金属氧化物材料16mg，炭黑2mg，聚四氟乙烯2mg，在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入2ml的溶剂NMP(N,N-二甲基吡咯烷酮)，充分搅拌使混合均匀，将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，将电极片置于80℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多面体双金属氧化物，其特征在于：其是以沸石咪唑酯骨架结构材料为原料，采用一种金属取代沸石咪唑酯骨架结构材料中的部分金属，然后通过加热氧化得到的多面体双金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的多面体双金属氧化物，其特征在于：所述沸石咪唑酯骨架结构材料为ZIF-8或ZIF-67。
3.根据权利要求1所述的多面体双金属氧化物，其特征在于：取代所采用的金属为过渡金属元素。
4.一种权利要求1所述的多面体双金属氧化物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)合成含有过渡金属的沸石咪唑酯骨架结构材料
将Co(NO3)2·6H2O或Zn(NO3)2·6H2O和过渡金属的硝酸盐水合物溶于去离子水中，得到溶液A，将2-甲基咪唑和三乙胺溶于去离子水中，得到溶液B；将溶液A和溶液B分别搅拌均匀后混合，将混合溶液在室温下搅拌均匀后静置24h，然后离心；用去离子水离心清洗2-3次，置于温度为70-100℃的烘箱中干燥12-24h，得到含有过度金属的沸石咪唑酯骨架结构材料；
(2)多面体双金属氧化物材料的制备
将步骤(1)得到的含有过渡金属的沸石咪唑酯骨架结构材料置于管式炉中氧化，然后在空气中氧化，得到多面体双金属氧化物。
5.根据权利要求4所述的多面体双金属氧化物的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，(Co(NO3)2·6H2O+过渡金属的硝酸盐水合物)：2-甲基咪唑：三乙胺的摩尔比为1：8：8。
6.根据权利要求4所述的多面体双金属氧化物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将含有过渡金属的沸石咪唑酯骨架结构材料置于350℃管式炉中氧化3小时。
7.权利要求1所述的多面体双金属氧化物用于制作电极的用途。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于：所述电极由以下方法制备得到：
采用多面体双金属氧化物作为活性物质，炭黑作为导电剂，聚四氟乙烯作为粘接剂，将活性物质、导电剂、粘结剂按质量比8:1:1的比例在玛瑙研钵中研磨均匀，再加入溶剂N,N-二甲基吡咯烷酮，充分搅拌使其混合均匀；将配制的混合液滴在裁剪成1×3cm的镍片上，置于80-100℃的真空烘箱中干燥24小时，在10MPa左右压力下压1分钟，得到多面体双金属氧化物电极。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于：所述溶剂N,N-二甲基吡咯烷酮的用量为：1毫克聚四氟乙烯加0.6-2ml N,N-二甲基吡咯烷酮。
10.根据权利要求7-9任一所述的用途，其特征在于：所述多面体双金属氧化物电极用于制备超级电容器。
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