ZnO模板法制备ZIF-8基多级孔碳材料及其电化学性能的研究

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ZIF-8因其具有高的比表面积、可修饰表面、可调控的的孔结构以及高的氮含量,常被作为前驱体制备MOFs衍生多孔碳材料,并应用于超级电容器领域。但目前通过直接碳化ZIF-8前驱体所制备的多孔碳材料仍然存在孔结构单一的问题,主要是微孔,缺少介孔,限制了电解液离子的传输速率,从而阻碍了碳材料电容性能的提升。本文尝试以含氮的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)作表面活性剂,将ZnO模板剂进行表面活性处理,再配置成ZnO悬浊液后,依次加入Zn(NO 32甲醇溶液和2-甲基咪唑甲醇溶液,让ZIF-8以ZnO为晶体核心进行生长,合成具有核壳结构的ZnO@ZIF-8材料。而后将ZnO@ZIF-8前驱体进行预氧化处理,通过“一步”碳化的方法制备出具有良好电容性能的多级孔(微孔-介孔)ZIF-8基碳材料。通过形貌、物相结构、热性能、元素组成、比表面积和孔结构等对材料进行表征。使用电化学工作站对制备的多孔碳电极材料进行电化学性能研究。具体的研究内容如下:(1)以ZnO为模板剂,ZIF-8为前驱体,合成ZnO@ZIF-8材料,研究PVP与ZnO的质量比以及2-甲基咪唑甲醇溶液的滴定速率对ZnO@ZIF-8形貌的影响,优化合成工艺。结果表明:当PVP与ZnO的质量比为1:1,滴定速率为0.6ml/min时,ZnO@ZIF-8的晶体尺寸均匀,呈多面体形貌,表面未见ZnO模板。(2)将ZnO@ZIF-8在不同温度下碳化,制备成ZIF-8基多孔碳材料,研究碳化温度对ZIF-8基多孔碳材料的物相结构、比表面和孔结构的影响。结果表明:当碳化温度为950℃时,可顺利去除ZnO模板,制备出具有微孔-介孔结构的多级孔碳材料。(3)对ZnO@ZIF-8进行预氧化处理,将其碳化制备成ZIF-8基多孔碳材料,研究ZnO@ZIF-8的预氧化工艺对多孔碳材料的氮含量以及电容性能的影响。结果表明:通过对ZnO@ZIF-8前驱体预氧化处理,提高含氮PVP的热稳定性,使其在碳化过程中,PVP自身的氮残留在多孔碳材料中,提高了碳材料的含氮量,其达到8.49 wt%,从而提升了碳材料的电容性能,其在电流密度为0.1A/g时,比电容值为241.1F/g,比电容保持率为55.1%。(4)通过调控ZnO悬浊液浓度,合成具有不同ZnO掺杂量的ZnO@ZIF-8材料,并碳化制备多级孔碳材料。研究ZnO悬浊液浓度对多孔碳材料含氮量、比表面积、孔结构以及电化学性能的影响。结果表明:随ZnO悬浊液浓度的增加,多孔碳材料的比表面积逐渐下降,介孔先增加后减小,含氮量增加,其中,当ZnO悬浊液浓度是6mg/ml时介孔最多,介孔比表面积是454.1 m2/g,制备出的多孔碳材料电化学性能最优,在电流密度为0.1A/g时,比电容值达到了275.3F/g,而在10A/g时的比电容值仍有166.4F/g,比电容保持率为60.4%,在电流密度为5A/g循环充放电10000次后,比电容保持率达到96.77%。
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