金属有机框架材料（MOFs）及其衍生物的电容性能研究

发布时间：2020-04-08 13:36

【摘要】：超级电容器作为最有潜力的储能装置之一,由于高的功率密度和较长的循环寿命而引起了越来越多的关注。鉴于近代可穿戴电子产品的重大突破,柔性固态超级电容器由于循环寿命长、质量轻、便于携带、安全性高等在近年来蓬勃发展。然而,超级电容器由于其能量密度较低限制了在能量存储方面的应用,为解决这个问题,开发新型的电极材料是提高器件性能的关键。金属有机框架材料(MOFs)作为一种由过渡金属作为结点与有机配体桥联形成的,且具有较高比表面积、合适的孔径、孔道可调控(通过改变有机配体和金属离子)、结构中包含有许多开放的活性位点而备受关注的一种新型的多孔材料。最近,由于MOFs内金属阳离子为参加氧化还原反应的电子提供了通路,且连接体促进了框架内的电荷转移,所以越来越多的人致力于探究MOFs在能量储存方面的应用。本文主要介绍了两种方法来解决MOFs作为电极材料但自身不导电的缺陷。一是通过在UiO-66中添加含氮配体(腺嘌呤),然后在不同温度下碳化制备出氮掺杂的多孔碳;二是在不同尺寸的ZIF-8上通过电化学沉积吡咯得到杂化电极材料。然后利用多种分析手段(如:TG、XRD、XPS等)对合成的电极材料进行了表征和测试。实验结果表明不论是碳化,还是与其他材料复合,都能明显改善MOFs的导电性。由于现今柔性固态超级电容器在能源存储设备技术领域引起了人们的广泛重视。鉴于此,我们也组装并测试了对称的柔性固态超级电容器。实验表明,其不论是电化学性能还是机械稳定性,都显示出极为优异的性能。
【图文】：

充电速率 受到动力学限制 高，和放电速率一致循环寿命限制 机械稳定性，化学可逆性 副反应如图1.1和1.2所示，根据电荷存储机制不同，SCs主要分为双电层电容器（Electricdouble-layer capacitors，简写为 EDLCs）、赝电容器（Pseudocapacitors，简写为 PCs）和混合型电容器（Hybrid supercapacitors，简写为 HSCs）[13,15]。EDLCs（图 1.2 a）是基于离子在电极/电解液界面的静电吸附来存储能量，通常使用具有高比表面积和孔隙率的碳基材料作为电极材料[16-17]。虽然 EDLCs 可以提供高功率密度并实现优异的充放电循环稳定性，但由于碳基材料的电容相对较低，，所以它们的能量密度也比较低。PCs（图 1.2 b）主要通过可逆的法拉第电荷转移来存储能量，其中过渡金属氧化物（transition metal oxides

3 1.2 双电层超级电容器（EDLCs），赝电容器（PCs）和杂化超级电容器（HSCs）的机理图Figure 1.2 Schematic representation of (a) electrical double-layer capacitors (EDLCs), (b)pseudocapacitor (PCs) and (c) hybrid supercapacitor (HSCs)[15]1.2 双电层超级电容器（EDLCs）和赝电容超级电容器（PCs）与传统电容器类似，EDLCs 也通过电荷分离存储能量，这就导致其形成了一电层[21]。EDLCs中的双电层之间的间隔远小于传统电容器中的双电层，导致EDL
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.4;TM53

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本文编号：2619409