金属有机框架材料及其衍生物的制备和电容性能研究

来源 :西南科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:taizijian
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随着经济的高速发展、化石燃料的过度消耗以及环境污染的不断加剧,人们对清洁、高效和可持续储能装置的需求不断增长。在各种电化学储能技术中,超级电容器由于功率密度高、充放电速率快、循环寿命长和环境友好等优点具有广泛的应用前景。制备孔隙度丰富和氧化还原活性高的电极材料具有十分重要的意义。金属有机框架材料(MOFs)是由有机配体和金属离子组成的一类多孔晶体材料。由于其具有孔径可调、比表面积大和结构多样等优点,近年来在储能、催化、吸附和传感器等研究领域引起了广泛关注。就超级电容器而言,MOFs是制备多种多孔碳、金属化合物或复合材料的通用牺牲模板,展现出令人满意的电化学性能。此外,原始的MOFs由于其大量的氧化还原中心和高的孔隙率也表现出良好的电化学性能。本论文采用简单的溶剂热法、化学沉淀法、水热法制备了一系列MOFs及其衍生材料,并将其作为电极材料,研究了它们的电化学性能。论文主要内容如下:(1)采用一锅溶剂热法制备了Bi-MOF材料。通过改变Bi3+与均苯三甲酸的摩尔比,调节Bi-MOF材料的组成和形貌。当Bi3+与均苯三甲酸的摩尔比调整为2:1时,得到了由许多相互连接的薄纳米片组成的三维分层Bi-MOF微球(标记为BM-2)。该材料具有较大的比表面积(69.5 m2 g-1)和合适的孔径分布(6.43 nm),缩短了电解液离子的扩散途径,提供了大量的反应电活性中心。结果表明,在0.50 A g-1电流密度下,BM-2基电极具有较高的比电容(896.1 F g-1)、显著的倍率性能(在电流密度增加至5.0A g-1时,其电容保持率为80.2%)和良好的循环稳定性(在2.0 A g-1电流密度下2000次循环后其电容保持率为71.2%),优于其他对比材料。(2)以硝酸锌和2-甲基咪唑为原料,通过化学沉淀法制备了ZIF-8前驱体,然后将其直接原位硒化形成锌镍硒化物,最后加入硝酸镍进行水热反应制备出一种由波纹状纳米片自组装的新型Zn-Ni-Se/Ni(OH)2层状微花材料。松散堆积的结构可以为离子传输提供充足的通道和提高材料的结构稳定性。与Zn-Ni-Se和Ni(OH)2基电极相比,Zn-Ni-Se/Ni(OH)2基电极表现出明显增强的电化学性能。在2.0 A g-1电流密度下,其比电容为1632.8 F g-1,并且具有良好的循环稳定性(在6.0 A g-1电流密度下2000次循环后电容保持率为85.4%),说明多组分的复合对材料的电化学性能有促进作用。(3)通过调节硝酸镓和硝酸镍的摩尔比,采用一步水热法制备了一系列的Ni/Ga-MOF材料。分析FE-SEM可知,不同的硝酸镓和硝酸镍摩尔比对材料的形貌有明显的影响。NM材料呈现出较厚的片层结构,GM材料显示出块体结构,NGM-2材料呈现出均一且薄的银耳状形态,这种结构容易暴露出更多的电活性位点。结果表明,在Ni:Ga摩尔比从10:0变化到0:10的过程中,Ni/Ga-MOF电极的比容量先增大后减小。当Ni:Ga摩尔比为3:7时,所制备的NGM-2基电极呈现出最佳的电化学性能。在0.50A g-1电流密度下具有1108.8 F g-1的高比电容、较好的倍率性能(当电流密度增加至7.0A g-1时,其电容保持率83.4%)和良好的循环稳定性(在2.0 A g-1电流密度下2000次循环后其电容保持率77.5%),优于其他对比材料。(4)基于泡沫镍的3D结构,采用化学沉淀法和水热法原位制备了CoMn-LDH/CoMoSx纳米复合材料。作为对比,分别制备了单一组分的CoMn-LDH和CoMoSx纳米材料。分析FE-SEM可知,疏松多孔的CoMoSx粒子均匀地生长在CoMn-LDH纳米片的表面。这种独特的结构有效地避免了CoMoSx粒子的聚集,增加了反应活性位点。与CoMn-LDH和CoMoSx基电极相比,CoMn-LDH/CoMoSx基电极表现出明显增强的电化学性能。在2.0 A g-1电流密度下,其比电容为1786.3 F g-1,并且具有优异的倍率性能(当电流密度增加至10.0 A g-1时,其电容保持率88.1%)和良好的循环稳定性(在6.0 A g-1电流密度下2000次循环后电容保持率为85.2%),这被归因于CoMn-LDH和CoMoSx材料的协同效应以及纳米复合材料的独特结构。综上所述,本论文通过简单的制备方法合成了一系列MOFs及其衍生材料。电化学测试结果表明,Bi-MOF微球、Zn-Ni-Se/Ni(OH)2微花、银耳状Ni/Ga-MOF材料和CoMn-LDH/CoMoSx纳米复合材料都显示出良好的电容行为,是一类具有应用潜力的储能材料。
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