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MOFs及其衍生的多孔碳用于柔性超级电容器电极材料研究

曹小漫  
【摘要】:柔性超级电容器(Flexible supercapacitors),作为一类新兴的能源存储器件,因具有许多独特的优势,例如尺寸小、重量轻、可折叠、可穿戴、安全性高而被广泛关注。随着可穿戴电子工业的迅速发展,迫切需求研制高能量密度并具有极好的机械稳健性的柔性超级电容器。构建高性能柔性超级电容器过程中最为关键的问题是设计具有优良的电容性能和极好机械柔韧性的电极材料。金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs),作为一类迷人的固态晶体材料,是由金属离子和有机配体配位构成的周期性排列的多孔结构,由于它们固有的多孔特征和高的比表面积被认为是理想的电极材料。然而,大多数MOFs差的导电性限制了它们作为超级电容器电极材料的应用。在本论文中,基于三种类型的MOFs材料制备了一系列MOF-衍生物和MOF复合材料,并将它们应用于柔性超级电容器。本论文的主要内容如下:1.以两种不同粒径尺寸的Zn-MOFs(Zn(tbip),H_2tbip=5-叔丁基间苯二甲酸)作为前驱体,通过一步热解过程制备3D连通的多层级孔碳材料(PCs)。并详细探究了前驱体的粒径尺寸和热解温度对衍生的碳材料多孔结构的影响。小尺寸Zn(tbip)在900 ~oC热解温度下制备的多孔碳材料(C-S-900)展现出多层级孔结构和最高的比表面积(1356 m~2 g~(-1)),这种独特的孔结构有利于离子的浸入和保留。C-S-900作为电极在6 mol L~(-1)的KOH水系电解液中,随着扫描速度从10 mV s~(-1)增加到400 mV s~(-1)获得了369 F g~(-1)和226 F g~(-1)的超高面积比电容。此外,以C-S-900作为电极,PVA/KOH作为凝胶电解质组装成对称型柔性全固态超级电容器。该器件在弯曲-折叠2000次循环后,仍具有96%的电容保留率,并且能成功运转微型电子器件,表明其具有极好的机械稳健性和循环稳定性。本章工作通过研究MOFs前驱体的尺寸和热解温度与衍生的碳材料多孔结构之间的关系,进一步优化超级电容器性能。2.通过一个简单且可控的“原位生长-刻蚀-包覆”过程,制备了一种中空核-壳异质结构的电极材料。具体来说,ZnO中空球通过原位生长路径在碳布纤维上生根,然后ZnO中空球作为金属源被2-甲基咪唑配体刻蚀生成ZIF-8壳,形成中空核-壳结构的ZnO@ZIF-8。最后预合成的中空核-壳结构的ZnO@ZIF-8被PANI纳米涂层包覆,形成柔性的导电多孔电极(PANI/ZnO@ZIF-8-CC)。最优化的PANI/ZnO@ZIF-8-CC电极,展示出超高的面积比电容(4839-3987 mF cm~(-2),在5-30 mA cm~(-2)电流密度下)。由于PANI/ZnO@ZIF-8-CC电极各组分间的协同效应,该电容值至少是PANI-CC和ZnO@ZIF-8-CC电极电容值的三倍。此外,PANI/ZnO@ZIF-8-CC电极与PVA/KCl凝胶电解质组装的对称型柔性超级电容器展示出高的能量密度(0.137-0.0891 mWh cm~(-3))和功率密度(1.421-23.629 W cm~(-3)),及良好的循环稳定性(在5 mA cm~(-2)电流密度下循环10000次,电容保留率为87%)。这些结果证明具有独特核-壳异质结构的PANI/ZnO@ZIF-8-CC电极在先进的能源存储与转换应用中具有很好的前景。3.通过一个可控的“原位生长-刻蚀-煅烧”过程在导电基底泡沫镍上制备了一种核-壳异质结构的MOF衍生的多孔碳/CoO的复合材料(NF@CoO@Co/N-C)。作为核的CoO是由高度有序的纳米线阵列组装成的六角花瓣状结构,包含丰富的可接近活性位点。MOF衍生的多孔碳作为壳具有Co/N-共掺杂结构,展示出大的比表面积,高孔隙率,极好的稳定性、导电性和兼容性。这些特征能够提高电化学性能并有效的减缓CoO在充放电过程中发生的体积膨胀。NF@CoO@Co/N-C电极展现出超高的比电容4.24 F cm~(-2)(电流密度为2 mA cm~(-2)),该电容值至少是其对应氧化物的二倍。NF@CoO@Co/N-C电极组装的不对称型柔性全固态超级电容器展示了高的体积比电容9.32 F cm~(-3),高的能量密度3.29mWh cm~(-3),极好的循环稳定性(在10 mA cm~(-2)电流密度下,10000次循环后电容保持率为96%)。本章研究通过原位封装策略,有效缓解过渡金属氧化物的体积膨胀问题,为设计能够长效储能的过渡金属氧化物电极材料提供了合理的指导。


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