电化学法合成ZIF-8类材料及电容性能研究

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近年来,金属有机骨架材料(Metal-organic Framework,MOFs)由于具有多孔隙、高比表面积、结构可功能化等众多特点成为当今材料的研究热点。这其中双金属MOFs由于引进了新的金属离子赋予了传统MOFs材料独特丰富的性能,是未来MOFs材料的发展趋势。目前双金属MOFs的传统合成方法存在操作复杂,能耗高等缺点,而电化学法由于在常温常压下即可快速合成产品,具有清洁高效的优势,因而成为我们的首选合成方法。本文首先采用电化学方法合成ZIF-8,然后引进金属离子Co2+对其进行修饰,合成了双金属Zn/Co-ZIF-8。通过改变反应溶剂配比,电压、反应时间及金属钴盐添加量来探究两种材料的最佳合成条件,再将最优条件下合成的双金属MOFs碳化处理,并对这三种材料的电容性能进行对比研究,揭示了ZIF-8材料的修饰及双金属MOFs碳化前后与电容性能的构效关系,提出对ZIF-8类材料的调控方法。XRD、SEM、FTIR、氮气吸附、EDS等表征结果表明在DMF与乙醇的体积比为1:4,外加电压为5 V,反应时间为2 h条件下合成出的ZIF-8为结晶度高、形貌较好的八面体结构,其BET比表面积可达1235.48 m2/g。在DMF与乙醇的体积比为1:4,外加电压为5 V,反应时间为2 h,外加钴盐添加量为0.08g的条件下合成了结晶度较好,形貌均一的不规则层状颗粒结构的Zn/Co-ZIF-8材料,比表面积为1114.05 m2/g。EDS表征测出样品中含有锌、钴两种金属元素;FTIR测试确定了两种金属离子成功参与了配位。将上述材料作为活性组分制备电极,通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)及交流阻抗(EIS)等测试手段探究其电容性能。结果表明,不同扫描速率下ZIF-8与Zn/Co-ZIF-8电极材料CV曲线均有一对对称性良好的氧化还原峰,表现出了明显的赝电容特性,且Zn/Co-ZIF-8电极CV环内面积大于ZIF-8电极。1 A/g的电流密度下,ZIF-8电极材料的比电容为77 F/g,Zn/Co-ZIF-8电极材料的比电容达到189 F/g。改变电流密度,ZIF-8倍率特性表现一般,经过2000次循环后,比电容能保持初始值的88%。同条件下Zn/Co-ZIF-8倍率特性表现良好,2000次循环后,比电容值仍能保持初始值的90.5%。经过EIS测试,Zn/Co-ZIF-8电极材料的电阻小于ZIF-8材料。碳化处理后C-Zn/Co-ZIF-8电极CV曲线对称性下降,但环内面积较碳化前有较大提升。C-Zn/Co-ZIF-8材料比电容量在电流密度为1 A/g时为243 F/g,EIS测试表明碳化后电极材料具有更高的电导率。结果表明,双金属ZIF-8类材料可有效提升材料的电容性能。
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