有机金属框架基复合材料的构筑及其储能性能研究

来源 :河北工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guoke3zhang
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与其它材料相比较,金属有机框架具有高比表面积、可控结构和丰富的电化学活性点位。以金属酞菁为框架的有机框架类材料在能源存储等领域也具备一定的应用潜力,如果将其应用于电极材料将会产生很大的应用价值。然而,它们在快速的充放电循环中达不到理想的比容量以及倍率性能。基于此类问题,本论文以MOF和NiPc为基底,将其与其它材料复合,通过发挥各自的协同效应来提高电极的储能性能,并研究其机理。主要工作内容下所述:(1)ZIF-67/rGO/NiPc复合材料的制备及其高性能超级电容器性能研究首先采用溶剂热法将一维线性NiPc集成到二维层流r GO中,形成r GO/NiPc复合材料,然后通过简单的沉淀法使三维十二面体ZIF-67在r GO/NiPc上发生自组装,得到ZIF-67/r GO/NiPc电极材料。多维复合电极的优点为电子提供了快速高效的扩散路径,将1 A g-1作为充放电电流密度,制备的复合电极材料可表现出860 F g-1的比电容,提高到5 A g-1时进行循环测试,循环5000次后的容量保持率可达95.1%,高于各个单体。此外,该ASCs器件在1.5 V电压窗口下可提供200.7 F g-1的优秀比电容值,以制备的多维ZIF-67/r GO/NiPc和AC组装的器件在750 W kg-1的功率密度下可达到62.7 Wh kg-1的能量密度。(2)MXene/NiPc复合材料的制备及其高性能超级电容器性能研究鉴于上一节工作中NiPc表现出来的优秀电化学性能以及自身的形貌结构,我们将其生长在MXene的层间来对改善MXene的堆叠问题。来通过溶剂热法在MXene层间生成NiPc,得到MXene/NiPc复合材料,NiPc的生成使得MXene的层间间距扩大,改善了自身的堆叠效应,从而获得了良好的电化学性能。将电流密度控制在1 A g-1进行测试,可得到792 F g-1的比电容。将MXene/NiPc和AC组装成ASC进行电化学测试,测试结果表明该器件具有优异的功率密度(749.97 W kg-1)、能量密度(84.58 Wh kg-1)和比电容(270.67 F g-1)都表现出优良的性能。在此基础上,该器件也有优异的循环效率(5000次循环,保留率为95.1%)。(3)不同形貌MOF复合Ni3S2电极材料的制备及其储能性能研究为了进一步研究不同形貌的MOF对电化学性能的影响,通过将第一节的ZIF-67与CoNi-MOF复合Ni3S2进行比较分析。通过沉淀法将ZIF-67生长在Ni3S2表面形成ZIF-67/Ni3S2,采用溶剂热法和水热法将Ni3S2包覆在CoNi-MOF表面形成CoNi-MOF@Ni3S2,研究不同形貌MOF材料对Ni3S2性能的影响。结果显示,二者都有助于改善Ni3S2的电化学性能,其中ZIF-67/Ni3S2在1 A g-1下的比电容为888 F g-1,然而CoNi-MOF@Ni3S2却表现出惊人的1550 F g-1的比电容。通过对比分析,CoNi-MOF具有比ZIF-67更优异的电化学性能。最后以CoNi-MOF@Ni3S2为正极组装ASC器件,该器件在727.39 W kg-1下展现出90.52 Wh kg-1高能量密度。(4)CoNi-MOF@NiPc电极材料的制备及其储能性能研究结合前几节的工作,可得出CoNi-MOF具有较大的比表面积和优异的电化学性能,NiPc单体作为电极材料由于堆积不能发挥其自身的优势,如将其复合在CoNi-MOF表面可改善这一缺点。通过简单的两步溶剂热法将NiPc生长在CoNi-MOF球表面,合成CoNi-MOF@NiPc复合电极材料。对合成的电极材料进行电化学分析,结果表明该电极材料在1 A g-1下表现出1266 F g-1的高比电容,将CoNi-MOF@NiPc与AC分别作为正负极组装ASC器件,在储能性能上该器件表现优异,在1.5 V电压窗口下,小电流密度下的比电容可达324.67 F g-1。同样的,功率密度(750.01 W kg-1)、能量密度(101.46 Wh kg-1)、循环效率(5000次,92.19%)也都展现出可观的效果。
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