钴MOF的金属衍生物及其复合材料作为超级电容器电极材料

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:junwen2009
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目前人类化石能源穷乏,新型的能量储存及转化技术受到关注,超级电容器由于其快速充放电能力,超长的循环寿命,较高功率密度等优点而备受关注。在各组成部分当中,电极材料的电化学性能直接决定了超级电容器性能的优劣。金属有机框架材料(metal organic frameworks,MOFs)拥有独特的多孔结构,自身及其衍生物的结构可控,高的比表面积等优势,使其很好的满足超级电容器电极材料的选取标准,但是由于MOFs较差的导电性,故将其作为电极材料直接应用到超级电容器上时性能较差。然而,通过合理的手段MOFs衍生物可以保持前驱体的的主要特性,包括大的比表面积,丰富的孔隙结构及MOFs可控的结构骨架。综上,本次工作在众多MOFs分支中选取两种钴基MOF(ZIF-67,ZIF-9)衍生出的金属双层氢氧化物复合材料、金属氧化物,并进行一系列性能对比,来探究MOF材料的引入对材料电化学性能的影响,主要内容如下:(1)采用简单的水热和高温煅烧方法,首先在泡沫镍上生长氧化钴纳米针(Co O),随后在氧化钴上以氧化钴为钴源原位生长ZIF-67,形成串珠状结构,然后通过Ni2+刻蚀将ZIF-67转化为镍钴双层氢氧化物(Ni Co LDH),MOF框架被保留,成功制备了核壳结构的Co O@Ni Co LDH。这种基于MOF框架的垂直分布结构不仅有效地防止了LDH的聚团,同样也为高理论比电容的Ni Co LDH提供了大量的孔隙,暴露出更多的反应活性位点,从而获得优异的电化学性能。合成的Co O@Ni Co LDH在1 A/g的电流密度下实现了2488 F/g的高比容量,是Co O的4.3倍,是没有MOF框架的Co O@Ni Co LDH的2.6倍。以Co O@Ni Co LDH为正极,活性炭(Activated Carbon,AC)为负极的超级电容器装置(ASC)也表现出良好的性能,在功率密度为793 W kg-1时,能量密度高达35.7 Wh kg-1。我们还讨论了两个Co O@Ni Co LDH//AC串联的实际应用效果。他们可以点亮红色发光二极管(LED)超过30分钟。表明该材料在实际应用中作为超级电容器电极材料具有很好的应用前景。同样证明了由于MOF材料的引入,使Ni Co LDH高的理论比容量得到充分的发挥,该合成策略也为其他氢氧化物复合材料的合成提供了新的方案。(2)首先在泡沫镍上水热合成出块状ZIF-9,然后在空气中以300℃,350℃,400℃下煅烧衍生出四氧化三钴(Co3O4)作为超级电容器电极材料,随后对这一系列温度下衍生的Co3O4进行材料表征及电化学测试,结果表明在300℃煅烧温度下制备的Co3O4完美的保持了ZIF-9的结构框架,并且拥有最好的电化学性能,该材料在1 A/g电流密度下的比容量为438 F/g,拥有极低的材料电阻。所制备的对称式超级电容器经过3500次充放电循环后仍保持81.6%的容量,可点亮红色LED发光二极管3分钟以上。结果表明ZIF-9热分解衍生的Co3O4可作为超级电容器电极材料,也表明牺牲模板ZIF-9框架的保存度对最终产物电化学性能是有直接影响的,同样本工作也填补了ZIF-9衍生物应用在超级电容器电极材料上的研究空白。
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