金属掺杂MIL-125(Ti)的CO2吸附及超级电容器电极材料性能研究

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随着社会的发展和科学的进步,人类对能源的需求量逐年上升,传统化石能源消耗所带来的弊端也日渐凸显,其中CO2引起的温室效应,已经威胁到人类的生存环境。因此,对新型多孔材料的研究尤为关键。作为新型多孔材料之一,金属有机骨架化合物(Metal Organic Frameworks,MOFs)在气体存储、生物传感、光催化和电化学等领域具有广阔的应用前景。对MOFs进行功能化改性可以进一步提高其性能,因此具有重要的研究价值。本论文以Ti基MOF材料MIL-125(Ti)为研究对象,探讨了金属掺杂方式及掺量对其CO2吸附及超级电容器电极材料性能的影响:采用后浸渍法制备得到M@MIL-125(Ti)-n和M@NH2-MIL-125(Ti)-n(M代表碱金属:分别为Li,Na和K;n代表浸渍时间:分别为6 h,9 h和12 h)。研究发现,不同浸渍时间得到的复合材料,其价键结构和物相未发生明显变化,说明后浸渍掺杂未改变MOFs材料的结构。CO2吸附测试结果表明,碱金属离子掺杂后的复合材料,其CO2吸附性能得到明显改善。其中Na@MIL-125(Ti)-9和Na@NH2-MIL-125(Ti)-9在293K,1 atm条件下的CO2量分别达到1.41 mmol/g和2.30 mmol/g。通过溶剂热原位掺杂法,制备出碱金属离子掺杂的xM@NH2-MIL-125(Ti)(M与上述一致;x代表质量掺杂百分比:分别为1wt%,2wt%)。SEM结果表明,碱金属离子掺杂量的不同会影响晶体的生长速度,得到的复合材料呈现出圆盘形、方形和截顶八面体三种形貌。CO2吸附测试结果表明,碱金属原位掺杂得到的xM@NH2-MIL-125(Ti),CO2吸附性能明显提高,其中1Li@NH2-MIL-125(Ti)-9在293 K,1 atm条件下的CO2吸附量达到4.65 mmol/g。采用溶剂热法合成镍离子掺杂的NiBDC-y和Ni@MIL-125(Ti)-y(y代表Ni2+与对苯二甲酸的摩尔倍数:分别为1,2和3),研究其作为超级电容器电极材料的性能。通过FT-IR、XRD和TG表征样品的成键方式、物相和热稳定性。采用循环伏安法、计时电位法及交流阻抗法测试其电化学性能。结果表明Ni@MIL-125(Ti)-3的窗口电压为0.05-0.5 V,比电容在1 A/g下达到1100 F/g。
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