ZIF衍生的钴钼硫化物的合成及电化学性能研究

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电化学电容器,也称为超级电容器,是一种绿色且高效的新型能源存储装置,其工作原理是通过离子吸附或表/界面快速发生氧化还原反应来存储能量。超级电容器的储能关键在于电极材料的设计,开发出低成本和高性能的电极材料显得十分重要。沸石咪唑酯骨架(Zeolitic imidazolate framework,ZIF)材料是金属有机骨架(Metal-organic framework,MOF)材料的子类。与MOF相似,ZIF具有大的比表面积、丰富的活性位点和高的孔隙率等特征。此外,以ZIF为牺牲模板合成功能纳米材料时,能够有效的保留ZIF的原始形貌以及多孔结构,可有效的提高电化学储能性能。因此,ZIF被广泛用作牺牲模板和前驱体合成纳米多孔功能材料。本文我们主要研究了基于ZIF-67多面体和2D ZIF-L纳米片阵列作为牺牲模板和前驱体,合成出双金属硫化物电极材料,并研究了其在电化学超级电容器领域的应用。主要研究内容如下:(1)将Co2+和2-甲基咪唑通过配位反应得到具有3D多面体结构的ZIF-67。使用溶剂热法制备出具有中空多孔结构且保留ZIF-67原始形貌的Mo掺杂CoS中空纳米笼(Mo-doped CoS HNC)。作为对比,将ZIF-67直接硫化处理得到CoS中空纳米笼。对样品进行电化学测试,测试结果表明:Mo-doped CoS HNC在电流密度为0.5 A g-1时,比电容达到781.0 F g-1,远高于同一电流密度下CoS HNC的比电容。这表明双金属之间存在着非常好的协同效应。与此同时,将Mo-doped CoS HNC与活性炭(AC)组装成非对称超级电容器(ASC)。当其功率密度为799.9 W kg-1时,能量密度高达27.7 W h kg-1,并且在10000次循环后保持着88.0%的初始电容,这表明组装的非对称器件具有良好的电化学性能和优异的循环稳定性。(2)将Co2+和2-甲基咪唑通过配位反应生长在导电基底泡沫镍上合成2D ZIF-L纳米片阵列。之后,以ZIF-L作为模板成功制备出Co3S4@MoS2核-壳结构的纳米片阵列材料。将其直接作为超级电容器的电极时,表现出了优异的电化学性能。电化学测试结果显示,在0.5A g-1时,比电容达到1217.5F g-1,高于同一电流密度下Co3S4/NF和MoS2/NF的比电容。此外,将其与AC电极组装成非对称器件时,表现出了超高的能量密度(55.4 W h kg-1)和极佳的循环稳定性(87.8%)。综上所述,本文主要是以ZIF作为牺牲模板成功制备出双金属硫化物纳米材料用作超级电容器电极材料。得到的双金属硫化物电极材料展现出优良的电化学性能,双金属之间的协同效应极大的提升了材料的电化学性能。
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