金属有机框架材料（MOFs）及其复合物的电容性能研究
发布时间：2022-02-12 16:05
超级电容器拥有出色的功率密度、能够快速充放电,并且具有比其他化学电池更长的寿命而受到大家广泛的关注。特别是柔性电子产品的发展,激发了人们对灵活、轻巧和环保的储能设备的探索。柔性固态超级电容器具有功率密度高,循环寿命长,安全高效,质量轻等诸多优点被认为是未来发展的重要选择。金属有机框架材料（MOFs）也称为多孔配位聚合物,它是一类非常有前途的结晶微孔材料。具有具有超高的孔隙率、极大的内表面积、结构和化学组成可调、包含有丰富的活性位点等特点。相比于传统的无机化学材料,MOFs作为超级电容器的电极材料展现出更加巨大的潜力,有望进一步提高超级电容器的储能性能。但是MOFs材料也有一些致命的缺点,例如自身导电性和化学稳定性较差,这阻碍了其潜能的充分发挥以及在储能领域的应用。本文通过构建MOFs和其他一些导电性材料形成复合物来改善MOFs材料导电性差的问题。一是将导电性能优异的石墨烯材料与Co/Mn-MOF通过一锅溶剂热共合成方法得到不同比例的Co/Mn-RGO复合物,考察不同比例石墨烯材料对复合物电容性能的影响。研究表明Co/Mn-RGO-35电极在扫速5 mV·s-1时面...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器与其他储能装置的性能指标比较[4]
第一章绪论3电层存储电荷，发生的是物理过程，存储电荷的多少与电极材料和电解液之间的接触面积有关，因此往往通过增大电极材料的的表面积来提高比容量和能量密度；而PCs中不仅包括双电层存储电荷，还包括法拉第氧化还原反应存储电荷，因而具有较高的比容量和能量密度，但是在电荷的传递过程中，法拉第反应相比于非法拉第反应的界面传递过程慢，因此PCs的功率密度要比EDLCs低。另外氧化还原反应在一定程度上不可逆，加上离子的嵌入脱出造成电极材料体积膨胀，PCs的循环寿命也比较差[13]。最后，混合电容器（HSCs）（图1.2D）由双电层电极和赝电容或电池型电极组成，结合了这两种系统的性能，并在某些情况下导致了中间性能[15-17]。图1.2(A)静电电容器(B)电双层电容器(C)赝电容器(D)混合电容器的储能机理图[11]Figure1.2Energystoragemechanismof(A)electrostaticcapacitor,(B)electricdouble-layercapacitor,(C)pseudocapacitor,and(D)hybrid-capacitor[11]1.1.3柔性固态超级电容器（SSCs）对下一代便携式和柔性电子产品（如卷起显示器、光伏电池和可穿戴设备）的功率和能源需求的增加，激发了人们对灵活、轻巧和环保的储能设备的探索[18,19]，并逐渐向微型化、功能化、柔性化的方向发展，这就要求这些储能器件满足体积小，质量轻，操作简单，安全舒适，可弯曲折叠等特点[20,21]。SCs弥合了电容器和电池的优势在新能源储能技术当中备受瞩目，但是SCs中液体电解质存在易挥发，易腐蚀，
第一章绪论5的缺点，阻碍了它们全部潜力的发挥。MOF与金属纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管等纳米材料复合形成的MOF复合物及其衍生制备的多孔碳、金属化合物等材料，能够继承纯MOF高比表面积、高孔隙率的优点，而且展现出了优于纯MOFs材料的导电性、光电化学特性和稳定性等特性，这使得这些MOFs材料在能源存储与转换领域表现出巨大的发展潜力。1.2.2MOF复合物在许多情况下，由于原始MOFs电导率差、功能有限等固有缺陷，无法满足实际能源存储系统理想的性能要求。为了近一步改善MOFs的导电性能或引入新的功能，有研究提出将MOFs与功能材料结合形成MOF复合物的策略[55,56]，不仅可以保持原有MOFs的优势，同时还可以克服MOFs的不足。MOFs已经和多种功能材料包括金属纳米颗粒（MNPs）、碳纳米管(CNT)、石墨烯(rGO)、多孔载体、导电基底、生物分子等活性材料合成MOF复合物，用于提高能源转化与存储方面的应用（图1.3）[57,58]。MOF复合物应用于能源转化与存储系统时的优势在于复合物中的不同组分可以有效地引入多功能性和协同效应，可以获得良好的性能表现和高稳定性。MOF复合物的合成策略可分为两类：（1）利用MOF包覆不同客体材料如金属纳米颗粒、量子点和金属复合物分子等；（2）利用碳纳米管、石墨烯以及多孔碳等载体负载MOF。图1.3MOF复合物的合成策略[58]Figure1.3syntheticstrategyofMOFcomposites[58]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文编号：3622020
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器与其他储能装置的性能指标比较[4]
第一章绪论3电层存储电荷，发生的是物理过程，存储电荷的多少与电极材料和电解液之间的接触面积有关，因此往往通过增大电极材料的的表面积来提高比容量和能量密度；而PCs中不仅包括双电层存储电荷，还包括法拉第氧化还原反应存储电荷，因而具有较高的比容量和能量密度，但是在电荷的传递过程中，法拉第反应相比于非法拉第反应的界面传递过程慢，因此PCs的功率密度要比EDLCs低。另外氧化还原反应在一定程度上不可逆，加上离子的嵌入脱出造成电极材料体积膨胀，PCs的循环寿命也比较差[13]。最后，混合电容器（HSCs）（图1.2D）由双电层电极和赝电容或电池型电极组成，结合了这两种系统的性能，并在某些情况下导致了中间性能[15-17]。图1.2(A)静电电容器(B)电双层电容器(C)赝电容器(D)混合电容器的储能机理图[11]Figure1.2Energystoragemechanismof(A)electrostaticcapacitor,(B)electricdouble-layercapacitor,(C)pseudocapacitor,and(D)hybrid-capacitor[11]1.1.3柔性固态超级电容器（SSCs）对下一代便携式和柔性电子产品（如卷起显示器、光伏电池和可穿戴设备）的功率和能源需求的增加，激发了人们对灵活、轻巧和环保的储能设备的探索[18,19]，并逐渐向微型化、功能化、柔性化的方向发展，这就要求这些储能器件满足体积小，质量轻，操作简单，安全舒适，可弯曲折叠等特点[20,21]。SCs弥合了电容器和电池的优势在新能源储能技术当中备受瞩目，但是SCs中液体电解质存在易挥发，易腐蚀，
第一章绪论5的缺点，阻碍了它们全部潜力的发挥。MOF与金属纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管等纳米材料复合形成的MOF复合物及其衍生制备的多孔碳、金属化合物等材料，能够继承纯MOF高比表面积、高孔隙率的优点，而且展现出了优于纯MOFs材料的导电性、光电化学特性和稳定性等特性，这使得这些MOFs材料在能源存储与转换领域表现出巨大的发展潜力。1.2.2MOF复合物在许多情况下，由于原始MOFs电导率差、功能有限等固有缺陷，无法满足实际能源存储系统理想的性能要求。为了近一步改善MOFs的导电性能或引入新的功能，有研究提出将MOFs与功能材料结合形成MOF复合物的策略[55,56]，不仅可以保持原有MOFs的优势，同时还可以克服MOFs的不足。MOFs已经和多种功能材料包括金属纳米颗粒（MNPs）、碳纳米管(CNT)、石墨烯(rGO)、多孔载体、导电基底、生物分子等活性材料合成MOF复合物，用于提高能源转化与存储方面的应用（图1.3）[57,58]。MOF复合物应用于能源转化与存储系统时的优势在于复合物中的不同组分可以有效地引入多功能性和协同效应，可以获得良好的性能表现和高稳定性。MOF复合物的合成策略可分为两类：（1）利用MOF包覆不同客体材料如金属纳米颗粒、量子点和金属复合物分子等；（2）利用碳纳米管、石墨烯以及多孔碳等载体负载MOF。图1.3MOF复合物的合成策略[58]Figure1.3syntheticstrategyofMOFcomposites[58]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文编号：3622020
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3622020.html
