金属离子对MOFs衍生材料及其超级电容器性能的影响

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超级电容器由于特有的大功率密度、快速充放电、循环寿命长、环境友好等优点,在新能源领域备受关注。金属有机骨架(MOFs)作为一种由无机金属离子和有机配体组装而成的新型杂化材料,其衍生材料不仅继承了MOFs大比表面积和多孔的特点,而且能够可控地合成出一些(微)纳米、中空形貌等特殊结构的材料,并在超级电容器中具有很大的应用潜力。然而,MOFs衍生材料受到前驱体形貌、组分、煅烧条件等广泛因素的影响,巧妙地控制这些因素可以有目的地制备出理想的目标材料。金属离子作为MOF的中心节点,均匀地分布在整个网络中,无疑会对煅烧后的产物产生至关重要的影响。因此,本论文系统研究了金属离子对MOFs衍生材料的形貌及其超级电容器性能的影响。主要内容如下:1.以邻苯二甲酸(H2pa)和1,4-双咪唑苯(bib)为混合配体,与五种过渡金属离子自组装出具有相同分子式[M(pa)(bib)]的MOFs 1-5。金属离子采取不同的配位模式,使得它们展示出多样的拓扑结构,说明金属离子在MOFs自组装中起着至关重要的作用。这些MOFs前驱体进一步采用一锅硫化法成功合成了5种分散良好的MxSy@C复合材料,改善了分步碳/硫化过程中的烧结现象。研究发现,前驱体中的金属离子对MOFs衍生材料的制备也起着非常重要的作用,使它们在形貌和电化学性能上表现出明显的差别。其中NiS2@C因本身的电化学活性和良好的石墨化程度,在超级电容器中表现为出色的电容性能,是一种潜在的电极材料。2.利用水热法合成了六种具有窗梁同构的MOFs 6-11,将它们作为前驱体,通过煅烧制备成了具有不同形貌的MOFs衍生碳材料。其中,MOF-7和9衍生出了具有高BET比表面积的多孔碳材料(PCs);MOF-6,10,11得到的石墨化碳材料(GCs)具有良好的导电性能,但是比表面积相对较低;MOF-8制备的碳材料比表面积最低,且没有石墨化现象。因此,MOFs中的金属离子对MOFs衍生碳材料的制备起着至关重要的作用,包括Zn和Cd的造孔效应,以及Ni、Co和Mn的催化石墨化作用。通过对MOFs衍生碳材料的电化学性能研究发现,它们的比电容顺序为:PCs>GCs>C-Cu,进一步说明比表面积对EDLCs的电容性能起到主导作用,而石墨化效果则可以在一定程度上提高电容值。
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