含金属有机框架的一维静电纺丝纤维的制备及其在锂离子电池中的应用

发布时间：2020-11-08 19:30

　　 本论文主要利用静电纺丝技术组装金属-有机框架(MOF)纳米颗粒,制备尺寸均匀可控的含有大量MOF颗粒的静电纺丝纳米纤维。经过一系列后处理,获得表面包覆硫化物纳米片或内部镶嵌过渡金属/金属碳化物的一维半导体纳米复合材料。将上述所制备的样品作为锂离子电池负极材料进行研究,探索材料的结构和组分等对电池电化学性能的影响,制备具有高锂电性能的MOF基衍生碳纳米复合材料。本论文主要研究内容如下:1.制备了具有高锂电性能的MoS_2/N掺杂的多孔碳纳米纤维。首先,利用静电纺丝对纳米结构单元的组装技术,通过直接纺丝法电纺聚丙烯腈(PAN)和沸石结构的MOF(ZIF-8),使ZIF-8纳米颗粒紧密组装在PAN电纺纤维内,这种结构有利于提高材料的孔体积和比表面积。然后,经过氮气氛围中的高温退火处理,获得N掺杂的多孔碳纳米纤维(PCNFs)。最后,以钼酸铵和硫脲作为MoS_2的前驱体,通过水热法在PCNF表面包覆MoS_2纳米片(PCNF@MoS_2)。所制备的复合材料具有以下优点:第一,将碳材料与MoS_2复合,有效地解决了MoS_2这种半导体材料导电性差和稳定性低的缺点;第二,将碳纤维作为模板,能够使MoS_2纳米片垂直组装在纤维表面的同时,定向生长并组装成一维结构,很好地解决了MoS_2的分散性问题;第三,多孔结构有利于解决材料在锂化过程中体积膨胀的问题,高比表面积有利于电解质和活性物质的充分接触,进而提高了电池的循环稳定性和储锂性能。研究表明,PCNF@MoS_2在1.0 A g~(-1)条件下循环450圈后的比容量为1116 mA h g~(-1),证明材料的高循环稳定性和高容量。2.本论文也对过渡金属碳化物掺杂的多孔碳纤维的锂离子电池性能进行了研究。利用静电纺丝技术组装MIL-88纳米颗粒,并进一步通过高温煅烧,制备了氮掺杂的含有Fe_3C纳米颗粒的碳纤维(N-Fe_3C-CNFs)。对材料进行了微观结构和组分的系列表征,并将此材料作为锂离子电池负极材料进行锂电池的电化学性能研究,包括电池的循环性能、倍率性能、循环伏安(CV)以及阻抗(EIS)性能等。研究表明,该材料在1 A g~(-1)电流密度下,循环200圈后仍保持756.6 mA h g~(-1)的可逆比容量。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ340.64;TM912
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池
        1.2.1 锂离子电池的工作原理
        1.2.2 锂离子电池的发展
    1.3 金属有机框架
        1.3.1 金属有机框架简介
        1.3.2 金属有机框架的分类
    1.4 静电纺丝技术
        1.4.1 静电纺丝技术简介
        1.4.2 静电纺丝技术的应用
    1.5 本论文的选题意义和目的以及研究内容
        1.5.1 本论文的选题意义和目的
        1.5.2 本论文的研究内容
第二章 实验方法
    2.1 实验药品与仪器
        2.1.1 实验药品
        2.1.2 实验仪器
    2.2 材料的结构表征
        2.2.1 场发射扫描电子显微镜
        2.2.2 透射电子显微镜
        2.2.3 X-射线光电子能谱
        2.2.4 X-射线衍射仪
        2.2.5 比表面积分析仪
    2.3 电化学性能测试
        2.3.1 循环伏安测试
        2.3.2 恒电流充放电性能测试
        2.3.3 电化学阻抗测试
2复合材料的制备及其锂离子电池性能研究'>第三章 PCNF@MoS₂复合材料的制备及其锂离子电池性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 ZIF-8 的制备
        3.2.2 静电纺丝液的制备
        3.2.3 静电纺丝纳米纤维及旋涂膜的制备
        3.2.4 多孔碳纤维以及多孔旋涂膜的制备
        3.2.5 多孔碳纤维表面包覆二硫化钼的制备
2的制备'>        3.2.6 纯MoS₂的制备
        3.2.7 电极的制备
        3.2.8 活性材料的电化学性能测试
        3.2.9 材料结构和形貌表征
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 微观结构及组分
        3.3.2 电化学性能测试
    3.4 本章小结
3C的碳纳米纤维的锂离子电池性能研究'>第四章 含Fe₃C的碳纳米纤维的锂离子电池性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验方法
        4.2.1 MIL-88 的制备
        4.2.2 含MIL-88 的静电纺丝纤维的制备
3C碳纳米纤维的制备'>        4.2.3 纯碳纤维以及含Fe₃C碳纳米纤维的制备
        4.2.4 电极的制备
        4.2.5 锂离子电池组装及其电化学性能测试
        4.2.6 材料的组分与结构表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 形貌与微观结构
        4.3.2 电化学性能测试
    4.4 本章小结
第五章 结论
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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本文编号：2875233