多酸基铜有机框架晶体材料的调控制备及其超电性能研究

发布时间：2020-05-22 11:49

【摘要】：超级电容器作为一种兼具高功率密度和高能量密度的储能装置,在新能源汽车和便携电子设备等许多领域得到了广泛的应用。电极材料是超级电容器的关键组成部分,直接决定装置的储能效果。RuO_2电极材料的储能效果极好,在超级电容器领域备受关注,但高昂的成本限制了其广泛使用。因此,设计和制备成本低且性能优异的电极材料是超级电容器领域亟待解决的关键问题。多酸(多金属氧酸盐)基金属-有机框架晶体材料是一种理想的新型超级电容器电极材料,该材料兼具多酸和金属有机框架材料的优势,又具有低成本和类RuO_2的快速可逆多电子转移能力等特点,有望成为RuO_2的替代品。然而,关于多酸基金属有机框架晶体材料作为超级电容器电极材料的研究工作目前仍鲜有报道,该领域尚处于起步阶段。基于此,本文运用晶体材料在水热合成过程可以剪裁和重组的思想,通过晶体工程方法,选用结构相似、氧化性能递增的Keggin型偏钨酸、硅钨酸、磷钨酸以及磷钼酸为多酸构筑单元,与配位模式丰富的铜离子和含氮量多的btx(1,4-双(三氮杂-1-基甲基)苯)柔性配体反应,设计制备了十二种结构新颖的多酸基铜有机框架晶体材料。利用单晶X-射线衍射、粉末X-射线衍射、傅里叶变换红外光谱以及元素分析等测试手段对制备的晶体材料进行了表征。通过循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等测试技术研究了所得多酸基铜有机框架材料的超电性能,考察微结构与其超电性能的关系,探求利于提高多酸基电极材料超电性能的微结构。本论文为开发超电性能优异的多酸基电极材料提供了理论与实践基础。主要研究内容如下:1.选用最多可以被33个电子还原的同多酸偏钨酸盐为多酸源,醋酸铜为金属源,btx为有机配体源,控制相同的反应温度和pH值条件,通过调控加入体系中三乙胺的浓度,设计合成了三个未见报道的偏钨酸基铜框架材料:[{Cu_6~(II)(btx)_7(H_2O)_(12)}H_4(W_(12)O_(40))_2]·12H_2O(1)[{Cu_7~(II)(btx)_8(H_2O)_(10)}H_2(W_(12)O_(40))_2]·2H_2O(2)[{Cu_(10)~(II)Cu_2~I(btx)_(11)(H_2O)_(16)}H_2(W_(12)O_(40))_3]·6H_2O(3)偏钨酸基铜框架材料1~3分别呈现3D自穿插框架结构、2D插指紧密堆积双层结构和1D+3D准轮烷结构。电流密度为3 A g~(-1)时,基于材料1~3的电极比电容分别为50.0,19.1和31.1 F g~(-1)。2.选用硅钨酸为多酸源,醋酸铜为金属源,btx为有机配体源,控制相同的反应温度和pH值条件,通过调变加入体系中三乙胺的浓度,设计合成了三个未见报道的硅钨酸基铜框架材料:[Cu~(II)(btx)_2]_2[SiW_(12)O_(40)](4)[Cu~I(btx)]_4[SiW_(12)O_(40)](5)[Cu_4~I(btx)_3][SiW_(12)O_(40)]·2H_2O(6)硅钨酸基铜框架材料4~6分别呈现3D简单主客体结构、包含一维铜有机链的2D层结构和2D插指紧密堆积层结构。电流密度为3 A g~(-1)时,基于材料4~6的电极比电容分别为79.8,110.3和62.8 F g~(-1)。3.选用磷钨酸为多酸源,醋酸铜为金属源,btx为有机配体源,控制相同的反应温度,通过改变组分中多酸为其衍生物K_5H_2[[{Ti(OH)(ox)}_2(μ-O)](α-PW_(11)O_(39))]·13H_2O、金属源为氯化亚铜,以及调控体系pH值,合成了三个未见报道的磷钨酸基铜配合物:[Cu_4~IH_2(btx)_5(PW_(12)O_(40))_2]·2H_2O(7)[Cu~(II)Cu_3~I(H_2O)_2(btx)_5(PW_(10)~(VI)W_2~VO_(40))]·2H_2O(8)[Cu_6~I(btx)_6(PW_9~(VI)W_3~VO_(40))]·2H_2O(9)磷钨酸基铜框架材料7~9分别呈现包含游离配体的2D层结构、1D+3D准轮烷结构和3D复杂堆积的结构。电流密度为3 A g~(-1)时,基于材料7~9的电极比电容分别为84.8,76.3和70.3 F g~(-1)。4.选用磷钼酸为多酸源,醋酸铜为金属源,btx为有机配体源,控制相同的反应温度和pH值条件,又通过将体系中的金属源醋酸铜变为氯化亚铜以及加入三乙胺的方式,合成了三个未见报道的磷钼酸基铜配合物:[Cu_4~IH_2(btx)_5(PMo_(12)O_(40))_2]·2H_2O(10)[Cu~IH_2(btx)(PMo_(12)O_(40))][N(CH_2CH_3)_3]_2·2H_2O(11)[Cu_2~(II)(btx)_4(PMo_9~(VI)Mo_3~VO_(39))](12)磷钼酸基铜框架材料10~12分别呈现包含游离配体分子的2D层结构、包含游离三乙胺分子的2D层结构和3D纳米管结构。电流密度为3 A g~(-1)时,基于材料10~12的电极比电容分别为230.5,249.0和153.0 F g~(-1)。
【图文】：

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第1章绪论容器电容器的简介经济的迅猛增长，化石燃料等不可再生能源的储量等已成为全世界对未来可持续发展的迫切关注问题问题的继续恶化，开发新型低成本且环保的新能源界公认为最紧迫的事项之一[2]。然而大多数可再生清域等气候条件的因素。因此，开发相关的能量转换歇性能源至关重要[3-5]。基于此，超级电容器、锂离，至今依然被认为是三种最重要的电化学储能/转换器(也称电化学电容器)的储能特性介于传统电容器电池而言它具有高功率密度，相比传统电容器而言-1 所示[2, 6-8]。

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哈尔滨理工大学工学博士学位论文能的电池型电容材料，进而导致电势窗范围较双电层电容更宽，储电能力电层电容材料通常高出 10~100 倍[10]。同时，根据金属氧化物的赝电容计算：C=(n×F)/(M×V) (其中，n 代表氧化还原反应过程中的平均电子转移数，F 代表法拉第常代表金属氧化物的摩尔量，V 代表电势窗范围[11]。然而，在多次快速大电循环充放电过程中，电极材料和电解液之间不断发生氧化还原反应容易致极结构不稳定。另外，当电极材料体相内部来不及充分反应时电极材料的性能和功率密度也将受到一定程度的影响。目前，学术界对赝电容材料的仍存在一定程度的争议，其中，目前的主流观点如图 1-2 所示[52]。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;O641.4

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