基于4-(吡啶-4-基)邻苯二甲酸构筑的配合物及其电化学性能研究

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金属-有机配合物(MOCs)是一类由有机配体和金属离子构筑的新型有机-无机杂化材料,在荧光、气体吸附、催化、电催化、电化学、超级电容器等领域具有潜在的应用。MOCs材料在电化学上的应用获得了研究者们的广泛关注。本论文在溶剂热条件下,基于含氮芳香羧酸类配体4-(吡啶-4-基)邻苯二甲酸(H2PYPA)与过渡金属离子进行自组装合成了11个结构新颖的MOCs,对他们分别进行了X-射线单晶衍射、X-射线粉末衍射、元素分析,红外和热重等结构表征,同时,着重对MOCs作为电极材料的性质进行了研究,主要内容如下:1、基于H2PYPA配体和Ni(II),Co(II),Mn(II)金属盐构筑了三个结构新颖的配合物1-3,结构表明1和2为同构的2D层状结构,然后,通过氢键作用进一步形成了3D的超分子结构。3也属于2D层状结构。此外,在溶剂热条件下,基于H2PYPA与五种咪唑类配体1,4-二(苯并咪唑-)苯(bibb),1,7-二(1-咪唑基)氟(1,7-bif),1,4-二咪唑苯(bib),4,4-二咪唑联苯(bibp)和1,4-二(1-苯并咪唑基)苯(bimb)与过渡金属离子自组装合成了7个结构新颖的配合物。结构表明4-7是同构的,具有相同的晶系、空间群和拓扑类型(fsc),都是3D多孔结构有孔的MOCs。8是2D有孔的层状结构。9和10是3D同构的,拓扑类型为sqc 69。最后,以1,7-Bis(imidazol-1-ylmethyl)benzene(1,7-bif)与Ni(II)离子在溶剂热条件下合成了1个MOCs,结构表明11的拓扑类型为sql的2D有孔网络结构。2、电化学测试表明,配合物1基电极表现出了高电化学性能,在电流密度为0.5 A g-1时其比电容可达到597.8 F g-1,具有好的倍率性能和良好的循环稳定行,在充放电2000次后,电容保留94.62%。此外,1//AC不对称超级电容器具有较高的能量密度45.3 Wh kg-1和功率密度882.5 W kg-1。这些结果表明1基电极在超级电容器的方面具有潜在的应用前景。配合物2基电极和配合物3基电极经过三电极体系的测试计算得电容量分别为122 F g-1和152 F g-1。配合物4-10基电极的最大电容量分别为52.0,360.8,320.8,172,72.0,320.5和151.8 F g-1,将配合物9电极组装成不对称超级电容器后最大电容量为37.9F g-1,能量密度为20.1 Wh kg-1和功率密度1445.9 W kg-1,在循环5000次后仍然能够保持85.6%。通过对配合物11电极进行电化学表征,在0.5 A g-1电流密度下其比电容为319.0 F g-1,循环充放电1000次后,电容保留96.78%。表明了配合物11电极具有好的电化学性能。3、结果表明,电极的电容行为都是由金属离子的法拉第氧化还原产生的,反应都是由扩散控制的,电极材料的多孔特性有利于电解液离子进入电极材料的空隙来存储电荷,促进有效的电荷传输和快速的电解液渗透,进而,低的电阻也加快了电子的转移速率。
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