二维导电MOF晶态多孔薄膜的电学性能研究

发布时间：2017-12-19 08:04

  本文关键词：二维导电MOF晶态多孔薄膜的电学性能研究

  更多相关文章： 金属有机框架 超级电容器 电极材料 锂硫电池 隔膜

【摘要】：金属有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)材料是由金属离子和有机配体通过自组装,得到的具有多样化可调谐结构以及独特构效关系的新型多孔材料。在二十几年的研究过程中,MOFs材料已经被广泛用于气体存储与分离、传感、药物运输、催化、磁性、发光、电学等领域。随着对小型便携式储能装置、柔性可穿戴器件、汽车自动化、大型智能电网存储系统的发展需求,各种各样具有理想电学性能的储能系统被广泛研究。近年来,超级电容器和锂硫电池因具有较高的能量密度受到广泛关注。结合MOFs材料具有较高比表面积、可修饰孔内壁、可调谐孔道大小、丰富的活性位点等优势,对其进行电学性能的研究逐渐成为研究热点。本论文中我们基于一种具有类石墨烯结构的高导电性二维层状MOF-Ni_3(HITP)_2开展了以下工作:一、本文第二章中通过原位生长的合成方法,成功将Ni_3(HITP)_2薄膜负载到碳纸上。然后将负载该MOF薄膜的碳纸作为超级电容器电极材料应用,在水体系中研究其相关电学性质。通过高倍扫描电镜(HRSEM)可以观察到负载于碳纸上的Ni_3(HITP)_2薄膜具有良好的纳米线结构。对其进行电学性能测试发现,该MOF薄膜电极构成的超级电容器显示出典型的双电层电容性质,具有约156 F g~(-1)的放电容量,且在500个循环内容量保持率约84.7%,具有较好的循环性。二、本文第三章中将该导电MOF作为锂硫电池的隔膜组份使用。利用一种“气-液”界面原位可控的生长方法在商业的Celgard隔膜(PP膜)基础上制备出一个以二维导电MOF-Ni_3(HITP)_2为活性功能层的Ni_3(HITP)_2-隔膜。首次将纯MOF材料在不添加任何粘结剂及导电剂的情况下作为锂硫电池中的隔膜功能组份使用。通过高倍扫描电镜可以观察到Ni_3(HITP)_2在商业PP膜表面均匀、致密的负载。由于该MOF具有约1.4 nm的孔尺寸以及优异的导电性,Ni_3(HITP)_2-隔膜锂硫电池在充放电过程中不仅可以为Li~+提供有效的扩散通道,还可以有效的抑制“飞梭效应”,大大提高活性硫的利用率。在Ni_3(HITP)_2-隔膜功能活性物质负载量极小(0.066 mg cm~(-2)),厚度仅约480 nm(远小于碳材料等微米级别的尺寸)时仍显示出较高的初始容量、优异的循环性能以及良好的倍率性能。当正极材料硫负载量约3.5 mg cm~(-2),在0.2 C下表现出高达1244mAh g~(-1)的初始容量,显示出较高的比容量;1 C 500个循环内容量保持率达84.1%,显示出良好的循环性能,且其库伦效率均高达约98%。除此之外,在高硫负载量(8.0 mg cm~(-2))情况下,依旧具有很高的比容量及优异的循环性能。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O646;TB383.2

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本文编号：1307465