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镍钴双金属MOFs的制备与电容性能研究

李巧琴  
【摘要】:随着能量存储设备的广泛使用,超级电容器作为一种性能优异的新型储能元件,因具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长和绿色环保等特点,成为近年来能量存储研究的热点。超级电容器储能效果的差异主要取决于电极材料的结构。金属有机有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一种新型多孔晶态材料,因其具有结构多样,孔径可调,有多金属活性位点,超低密度等特点而被广泛研究用作超级电容器电极材料。本文以4,4'-联苯二甲酸为有机配体,Ni2+和Co2+为中心离子,采用溶剂(水)热法在不同溶剂体系下制备出不同形态的双金属NiCo-MOF。探讨Ni/Co/BPDC摩尔比,反应温度和时间对镍钴双金属MOFs的微观结构与电容性能的影响,揭示NiCo-MOFs的微观结构与电容性能的构效关系,提出对MOFs结构的调控方法。并将最佳条件下的NiCo-MOF进行氮气氛中低温热处理,进一步优化其结构。通过SEM,TEM,XRD,FTIR,Raman,EDS面扫,氮吸附分析等测试手段表征其结构,并在电化学工作站上测试其在水系碱性电解液中的循环伏安,恒流充放电、交流阻抗、倍率特性和循环寿命等电容性能。论文的主要研究内容如下:(1)分别在DMF-EtOH、DMF-DMSO和DMF溶剂体系下采用溶剂热法制备出了一系列的NiCo-MOF粉体,它们在微观上均表现为由二维纳米片组装成的三维多孔微球结构,二维纳米片的形成主要源于镍钴离子与BPDC是以四配位的方式结合生成MOFs的。其中DMF-EtOH体系下合成的NiCo-MOF-1表现出最佳的形态和电容性能,其最佳制备条件为1:1:1,12 h,170℃。NiCo-MOF-1主要以介孔为主,BJH平均孔径为15.1nm,在350℃以下空气中可保持一定的稳定性。溶剂热NiCo-MOF-1的比电容达到936.8 F/g(1.0 A/g),1000次充放电后比电容仍为449.2 F/g,保持率为48.8%。通过350℃氮气低温热处理使其结构均质化,其比电容虽降为656.4 F/g(1.0A/g),但具有良好的倍率特性和循环稳定性,在3000次循环后比电容仍为486 F/g,电容保持率为81.0%。不同溶剂体系制备的NiCo-MOF微球因片层组装的疏松程度不同而导致电容性能有所差异,DMF-DMSO和DMF体系下制备的NiCo-MOF在1.0 A/g的比电容仅为781.1 F/g和404 F/g。(2)水热法合成的NiCo-MOF粉体在微观上呈现为由一维微纳米棒组装的三维长方体结构。一维微纳米棒的形成主要源于BPDC与氢氧化钠反应生成的联苯二甲酸钠有较强的表面活性,在水中生成了棒状胶束,从而引导NiCo-MOF以此为模板生长出一维微纳米棒结构。水热法制备NiCo-MOF的最佳条件为1:1:2,12 h,170℃。通过在碱性电解液中进行多次循环伏安和充放电实现电化学激活,水热法合成的NiCo-MOF能快速转变成氢氧化物,比电容由最初的156.5 F/g提高至990.7 F/g(1.0 A/g),在0.5 A/g达到1056.6 F/g的高电容量,在20 A/g时仍有405.0 F/g的容量。在1.0 A/g电流密度下经3000次充放电后比电容仍为553.2 F/g,电容保持率为55.8%。水热法制备的NiCo-MOF经400℃氮气低温热处理后在0.5 A/g下比电容为550.1 F/g,10 A/g时电容仍保持368.0 F/g,具有良好的倍率特性和循环稳定性,3000次循环后电容保持率为89.6%(1.0 A/g)。


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