基于金属有机框架及其衍生物的电容性能研究

来源 :闽南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huhu39
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超级电容器是一种高效、实用的能量储存设备。电极材料是影响超级电容器电化学性能的核心因素。金属有机框架(MOFs)材料具有比表面积大、孔结构可控和开放的金属活性位点等优点,在超级电容器的电极材料中具有潜在的应用。本论文制备了镍(Ⅱ)-均苯三甲酸/多壁碳纳米管复合材料(Ni(btc)/MWCNTs)、三聚硫氰酸-镍(Ⅱ)(Ni(TCY))和ZIF-67。进一步以Ni(TCY)和ZIF-67为前驱物制备了相应硫化物,并详细研究了这些MOFs和相应硫化物作为电极材料的电容性能。主要包括以下几部分:(1)以多壁碳纳米管、硝酸镍和均苯三甲酸为原料,采用水热法制备了多层花状Ni(btc)/MWCNTs。通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、N2等温吸附脱附(BET)、红外(FI-IR)等技术对合成的复合材料进行了表征。实验结果表明,多壁碳纳米管的掺入能诱导球形Ni(btc)转变成多层花状结构的复合材料,且材料的比表面积效应和导电性能显著增强。电化学研究表明,Ni(btc)/MWCNTs较单一组分的Ni(btc)具有更高的比电容和优良的循环性能。Ni(btc)/MWCNTs在2 A g-1时的比电容达到916 F g-1,当电流密度增加到10 A g-1时,比电容值为711 F g-1。在电流密度为10 A g-1下经过1000次充放电循环后,Ni(btc)/MWCNTs复合材料的容量保持率可达93.5%。(2)以Ni(NO32·6H2O和三聚硫氰酸(TCY)为原料,采用水热法合成了球状Ni(TCY)金属-有机化合物。进一步以Ni(TCY)为前驱体通过热处理得到纯相的Ni S纳米材料。采用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、透射电镜(SEM)、X-射线电子能谱仪(XPS)等方法对Ni S进行了表征。电化学实验表明,Ni S电极材料在4 A g-1和20 A g-1的比电容分别达到1493和1160 F g-1,明显高于Ni(TCY)的1111和840 F g-1。同时,Ni S电极具有优良的稳定性,在10 A g-1的大电流密度下经过2500次循环后,比容量保持率为85.4%,在超级电容器方面具有较大的应用潜力。(3)以Co(NO32·6H2O和2-甲基咪唑为原料,在室温下合成ZIF-67多面体。将ZIF-67分散于乙醇中并依次加入硝酸镍和硫代乙酰胺,90℃回流反应1 h后得到双金属硫化钴镍(Co-Ni-S)空心多面体。通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线能谱仪(EDS)对产物进行了结构和形貌表征。采用循环伏安、计时电位法和电化学阻抗方法考察了Co-Ni-S的电容行为。结果显示,Co-Ni-S具有高的比容量,在4 A g-1电流密度下的比容量达到1890 F g-1,当电流密度增加至20 A g-1时,比电容为1535 F g-1,容量保持率为81.2%。同时,Co-Ni-S也展现出优良的电化学稳定性,在大电流密度下(10 A g-1)经过1000次循环后,电容量保持率达到89.3%。
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