ZIF-67为基体制备Ni Co-LDH及其电化学性能研究

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金属有机骨架(MOFs)具有高比表面积和良好的孔隙结构,已被证明是创造新型多孔纳米结构的有前途的前驱体/模板。作为MOFs的一个分支,类沸石咪唑酯骨架(ZIFs),是由过渡金属阳离子(M)和咪唑基骨架(Im)构成,并且M-lm-M形成的角度与硅基沸石的Si-O-Si很相似,均为145°。ZIF-67是ZIFs的一种,是很好的反应模板。同时,过渡金属氧化物/氢氧化物具有比表面积大、氧化还原活性高、尺寸形状可控、成本低、环保、可逆性好、理论比电容高(Co3O4 3560F·g-1等)、比结构和形貌对其电化学性能有显著影响。层状双氢氧化物(LDH)的通用公式[M2+1-x-x Mx3+(OH)2]x+[(An)x/nmH2O]x(M2+,M3+可以代替二价和三价金属阳离子分别和一个可交换的离子价n,x=M3+/(M2++M3+))广泛应用于分离,分离,催化,阻燃添加剂,药物输送和电化学等领域。本课题中,利用ZIF-67形成LDH的模板和Co源,运用三种不同的反应方法制备Ni Co-LDH并对比其性能,对比出微波加热法和传统加热法的优缺点,具体工作及结论如下:(1)利用ZIF-67为牺牲模板和Co源,Ni(NO32·6H2O为镍源,乙醇和去离子水为反应溶剂,选取Ni(NO32·6H2O和ZIF-67不同的质量比,利用回流和水热为加热方法制备Ni Co-LDH。回流法和水热法是传统加热法的代表,传统加热法最显著的特点就是以热传导为传热方式。故此,在加热过程中整个反应容器中的受热是不均匀的,但是由于其操作方式简单,反应器材相对来说廉价,因此,传统的加热方法受到了广大研究人员的青睐。由回流和水热制备出的两种Ni Co-LDH经过测试可以得出以下结论:虽然二者都为传统加热方法,但是二者所造成的反应条件是不同的,其中回流法为常压下反应条件较为温和,而水热则是在高压下进行,条件较为剧烈,但是由两者制备出的材料在电化学性能上有着非常相近的性能,其中,回流法和水热法制备出的材料在1A·g-1容量最高分别可达到1798 F·g-1和1700F·g-1。并且在5 A·g-1是测得循环1000周后的容量保持率分别达到93.1%和91.71%。(2)采用与上述实验相同的材料和用量比,利用微波加热法制备Ni Co-LDH。相对于传统的加热方法,微波加热法的加热方式为辐射加热,利用微波辐射,使得物体内部的分子剧烈运动而产生巨大的热量。故此,采用微波加热法会使反应物内部基本同时开始发热,相对于传统加热来说有着很大的优势,另外,相对于回流和水热等传统加热方法,微波加热法辅助反应所需的时间极短,这是微波加热法的另一个优势。由微波加热法制备出的材料,在1A·g-1电流密度下相对于上述材料有着2376 F·g-1的质量比容量,循环性能虽然稍稍逊色,还有84.61%。但是循环1000次后的质量比容量也并不是很低。并且还有很大的提高空间。(3)经过对比微波法和传统加热法制备的Ni Co-LDH性能,发现三种方法制备Ni Co-LDH时,对Ni Co-LDH电化学性能和表面形貌起着决定性作用的是Ni Co-LDH与ZIF-67的质量比,三种不同方法制备出的材料都在Ni Co-LDH与ZIF-67质量比为3:1时表现出最优的电化学性能,但是由于微波法固有的优势,由微波法制备出的材料也有着更优异的性能。
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