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基于{P_2W_(18)}多金属氧酸盐杂化物的合成及其超级电容性能研究

高佳倩  
【摘要】:超级电容器作为具有较大比电容和较长循环寿命的储能器件,由于其高功率密度、快速充放电速率和超长循环稳定性,在现代电子工业的快速发展领域发挥着越来越重要的作用并引起了广泛的研究兴趣。超级电容器可根据电荷不同的存储机制被划分为电双层电容器和赝电容器。而影响超级电容器性能的重要因素之一是超级电容器的电极材料。碳材料通常用作双层电容中的电极材料,而金属氧化物等已被用作赝电容器的电极材料。多金属氧酸盐(POMs)属于一大类金属氧团簇,它是由不同金属通过氧连接形成的,由于其优越的多电子氧化还原性能、结构多样性和低环境影响,非常适合于实现高容量的超级电容器应用。然而,POMs的低电导率降低了它们作为电极材料的速率能力,而POMs在水中的高溶解度限制了它们在水超级电容器中的应用。本文采用水热法,利用前驱体重复合成出8种以Dawson型磷钨多阴离子({P2W18})为建筑块多金属氧酸盐杂化物。同时,还利用简单溶液法合成出1种基于{P2W18}沸石咪唑类骨架材料的杂化物。经元素组成分析和TG分析,确定其化学式为:[K_2{Cu_2(biim)_2}_2(P_2W_(18)O_(62))](biim=biimidazole)(1)[{Cu(1,4-bimb)_2}{Cu(1,3-bimp)(1,4-bimb)}_2(P_2W_(18)O_(62))](2)(1,4-bimb=1,4-bis(imidazole-l-yl)butane;1,3-bimp=1,3-bis(imidazole-l-yl)propane[{Cu_(0.5)(Hpyr)}_2{Cu_(0.5)(pyr)}_4{Cu(pyr)_2}_2{(P_2W_(18)O_(62))_2}](pyr=pyrazole)(3)[Cu(4,4'-Hbipy)]_2[P_2W_(18)O_(62)](4,4'-bipy=4,4'-bipyridine)(4)[K_2{Ag_2(biim)_2}_2(P_2W_(18)O_(62))](5)(4,4'-H_2bipy)[{Ag(4,4'-bipy)_2}4(P_2W_(18)O_(62))](6)[Ag(pyr)_2]_4[{Ag(pyr)_2}_2(P_2W_(18)O_(62))](7)(Hpz)[Ag_7(pz)_6(OH)_2][P_2W_(18)O_(62)]·2H_2O(pz=pyrazine)(8)对其结构进行了表征。为了探究其电化学性能,将合成化合物作为电极材料,通过循环伏安法,恒电流充放电,交流阻抗等手段来测其超级电容性能。结果表明:在三电极体系下,以玻碳电极为集流体,在电流密度为2A g-1时,化合物的质量比电容分别为1070.0、496.6、695.5、953.6、2156.9、1521.0、744.8、1369.1F g~(-1)。1000次循环后,比电容保留率分别为89.8、93.4、90.2、92.9、94.5、92.1、91.3、92.1%。同时,为了研究其作为对称性超级电容器的性能,我们以碳布为集流体,在三电极体系下进行电化学测试,在1000次循环后,比电容保持率分别为91.2、93.0、91.3、97.3、96、92.6、93.0、90.6%。组成对称性电极后,其能量密度分别为0.71、0.105、0.031、0.145、0.585、0.521、0.265、4.49W h kg~(-1),功率密度分别为116.17、29.1、9.3、6.06、37.6、23.16、13.07、598.6W kg~(-1)。理论分析表明,合成化合物均表现出赝电容行为,其电容是由非扩散控制电荷储存机制所致。化合物5的比电容最大,可能是由于存在三维结构,且具有大的孔道结果,这种孔道结构有利于电解质溶液离子及电子的传输,而且独特的钾离子包裹着Dawson型多金属氧酸盐使该化合物作为电极材料更稳定。化合物1与化合物5同构,但化合物5的电化学性能更好,是由于化合物5是银离子配位比化合物1中铜离子配位,具有更高的导电性所致。同时,利用溶液法合成的{P2W18}@ZIF-67杂化物,在电流密度为2A g-1时,其质量比电容为588.9F g-1。1000次循环后,电容保留率为93.4%。以碳布为集流体进行测试,对其组成水系超级电容器,在2A g-1时,质量比电容为86.1F g-1,在功率密度为583.496W kg-1,其能量密度为4.366Wh kg-1。


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