首页分享岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍的制备及应用

岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍的制备及应用

来源：花匠小妙招时间：2025-05-12 21:22

本发明涉及材料的制备和电化学及能源领域，具体地，涉及岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍的制备方法。

背景技术：

1、超级电容器以其卓越的功率密度、持久的循环寿命和环保特性，在新一代便携式电子能量存储设备中扮演着关键角色。尽管如此，相较于锂离子电池，较低的能量密度限制了超级电容器大规模应用。人们普遍认为，超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的结构和组成。因此，开发具有独特结构的新型正极材料以提高超级电容器电化学性能是当务之急；

2、镍钒金属有机框架（niv-mof）具有高的电化学活性和比容量，在超级电容器领域展现出巨大的应用潜力。niv-mof纳米花结构不仅具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，有助于活性位点的充分暴露，还能增强电解液的渗透性，进而在电解水中展示出卓越的电催化性能。在超级电容器的应用中，电极材料除了需要具备出色的电催化活性，还必须能够承受碱性环境中oh-离子的频繁嵌入和脱嵌，以避免结构的损坏，保持其优异的稳定性。由纳米片自组装而成的纳米花结构，拥有丰富的开放网络空间，这有助于缓解体积膨胀，减少结构损伤。因此，niv-mof纳米花在提升超级电容器稳定性方面具有明显的优势；

3、三金属有机框架能够显著提升不同金属离子间的协同作用，并优化电子结构。铁（fe）作为一种在地球上广泛分布的过渡金属，因其低成本、低毒性、丰富的氧化态和优良的导电性，在能量存储领域备受青睐。由于fe和ni在配位环境和原子半径上的相似性，fe可以部分替代ni而不改变晶体结构。此外，fe还能够调节纳米片层间距，促进电解液离子的快速扩散。因此，fe掺杂将显著提升niv-mof的比容量和电导率；

4、异质结构因其独特的电子特性和界面效应，被普遍视为提升超级电容器电化学性能的关键途径。特别是，原位形成的岛状异质结构能够在界面处产生钉扎效应，限制各组分的晶格振动，与传统的二次生长或沉积方法相比，更有效地减少了因晶格不匹配导致的结构破坏。同时，这种结构还能形成大量非均相界面，充分利用多组分的协同效应，促进电子转移，增强反应动力学和比容量。因此，这有望进一步提升niv-mof的稳定性和电容性能；

5、综上所述，我们成功合成了岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍。得益于其岛状异质结可调节的电子特性，同时具有丰富的异质界面，该材料展现出卓越的电化学性能，作为超级电容器电极材料显示出广阔的应用前景。。

技术实现思路

1、本发明的目的是开发一种具有优异导电性和稳定性的金属有机框架基异质材料，以增强超级电容器的电化学性能，而提出一种岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍电极材料的制备方法。

2、本发明的岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍电极材料的制备方法是按照以下步骤进行的：

3、一、溶剂热法制备nivfe-mof/nf

4、分别用无水乙醇、丙酮、3 m盐酸和去离子水清洗泡沫镍。然后将0.1~0.5 mmolnicl2·6h2o、0.1~0.4 mmol vcl3、0~0.3 mmol fecl3·6h2o和0.3~1.0 mmol的对苯二甲酸溶解在25~50 ml n,n-二甲基甲酰胺、1~10 ml去离子水和1~10 ml无水乙醇的混合溶液中。将上述溶液和泡沫镍转移到100 ml的高压釜中，在160°c下加热12~48 h得到nivfe-mof/nf；

5、二、原位部分磷化法制备nivfe-p@nivfe-mof/nf异质结

6、将0.5~2.0 g nah2po2·h2o和nivfe-mof/nf放入陶瓷舟中，分别放置在管式炉的上游和下游，两个陶瓷舟之间的间隔为8~15 cm。在ar氛围下，250~450°c下退火2 h，加热速率为2°c/min，得到nivfe-p@nivfe-mof/nf异质结。

7、相比现有的技术，本发明具有如下有益效果：

8、本发明制备的岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍超级电容器电极材料，首先，金属离子（ni2+、v3+和fe3+）和对苯二甲酸配体在溶液中经历反复的成核和溶解过程。而泡沫镍不均匀的表面会降低形核能，使nivfe-mof晶核优先附着在泡沫镍表面形成纳米片。然后，这些纳米片相互交错并自组装形成纳米花。在磷化过程中，以nivfe-mof/nf为前驱体，nah2po2为磷源，其在退火过程中会发生歧化反应释放出ph3和h2。随着ph3的引入，nivfe-mof中与金属中心相连的部分氧原子被拉出，同时磷原子渗透进入nivfe-mof的体相中。最终，在nivfe-mof纳米花的纳米片上形成了岛状的nivfe-p，从而获得了nivfe-p@nivfe-mof异质结。本发明具有成本低、环境友好和形态可控等优势。

9、本发明制备的岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍超级电容器电极材料，其岛状异质结能够形成大量的异质界面，这有助于增加电化学反应的活性位点，促进法拉第氧化还原反应的快速进行；fe掺杂和部分磷化可以显著提高其电子密度，降低离子扩散的障碍，加快oh-的吸附过程；纳米花形貌和异质界面的钉扎效应可以有效减轻oh-离子频繁嵌入和脱出对形貌和结构造成的损伤，从而有效提升材料的稳定性。

技术特征：

1.岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍的制备及应用，其特征在于岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍作为超级电容器电极材料的制备方法是按照以下步骤进行的：

2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤一种所述的vcl3的含量为0.1~0.4 mmol。

3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤一种所述的fecl3·6h2o的含量为0~0.3 mmol。

4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤二种所述的nah2po2·h2o的含量为0.5~1.5 g。

5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤二种所述的退火温度为300~450°c。

技术总结
本发明涉及新型纳米材料合成及其在超级电容器领域的应用，公开了岛状镍钒铁磷化物原位装饰镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍的制备及应用。本发明的目的是解决现有超级电容器比电容和能量密度不足的问题。本发明主要包括：一、溶剂热法制备镍钒铁金属有机框架纳米花/泡沫镍（NiVFe‑MOF/NF）；二、原位部分磷化法制备岛状镍钒铁磷化物（NiVFe‑P）装饰的镍钒铁金属有机框架的异质结（NiVFe‑P@NiVFe‑MOF/NF）。本发明具有制备方法简单，成本低廉和产量高等优点。由于其可调控的异质结和丰富的异质界面，该材料展现出卓越的电化学特性。在1 A g<supgt;‑1</supgt;时比电容为2368.5 C g<supgt;‑1</supgt;，在10 A g<supgt;‑1</supgt;下10,000次循环后仍具有90%的电容保持率。在两电极体系中，当功率密度为1.16 W kg<supgt;‑1</supgt;时，NiVFe‑P@NiVFe‑MOF/NF//活性炭/NF能量密度可达109.4 Wh kg<supgt;‑1</supgt;。

技术研发人员：岳红彦,谢艳秋,高鑫,白鹤,兰景茗,杨帅,江帆,耿春栋
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18