基于MOF的多孔碳材料在超級(jí)電容器上的應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在社會(huì)對(duì)能源的需求日益增加。超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能元件，具有優(yōu)于二次電池和一般電容器的性能，被廣泛研究。電極材料是決定超級(jí)電容器性能的主要因素。多孔碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、豐富的孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)而被用作超級(jí)電容器的首選電極材料。本文主要研究了幾種基于金屬有機(jī)框架（MOFs）的多孔碳材料制備以及它們?cè)诔?jí)電容器上的應(yīng)用，并詳細(xì)探討了模板結(jié)構(gòu)、孔徑結(jié)構(gòu)、比表面積、氧化物摻雜、原子摻雜對(duì)電容器性能的影響。<

2、br>　　（1）Zn-MOF-74金屬框架結(jié)構(gòu)是中心離子Zn2+通過2,5-二羥基對(duì)苯二甲酸中的羧基和羥基連接起來的具有一維平面的六元結(jié)構(gòu)。本文第二章以Zn-MOF-74為模板，制備得到一系列多孔碳材料。通過XRD、SEM、氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)等表征了孔徑結(jié)構(gòu)以及其形成過程。通過電化學(xué)方法分析了孔徑結(jié)構(gòu)對(duì)超級(jí)電容器性能的影響。結(jié)果表明，基于Zn-MOF-74的多孔碳材料具有小孔、微孔、大孔的層狀的孔徑結(jié)構(gòu)，碳化溫度對(duì)多孔材料的結(jié)構(gòu)具有決定性影

3、響，其表面積在7.028m2·g-1到900.4m2·g-1之間，電極材料的比電容可達(dá)187F·g-1，優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道，具有良好的應(yīng)用前景。
　　（2）本文第三章以具有3D孔徑結(jié)構(gòu)的Zn-MOF-H2pdc(H2pdc=2,5-吡啶二羧酸)為模板，分別制備了純凈的多孔碳材料和具有氧化鋅摻雜的復(fù)合材料。分析結(jié)果顯示：多孔碳材料的孔徑結(jié)構(gòu)除了受碳化溫度影響外，還受模板孔結(jié)構(gòu)、模板中雜原子的影響。制備的純凈多孔碳材料具有均介孔和大孔結(jié)構(gòu)，

4、其比表面積在272.3m2·g-1到931.8m2·g-1，比電容高達(dá)140F·g-1。當(dāng)進(jìn)行氧化鋅摻雜后，復(fù)合材料的孔徑結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不同碳化溫度造成了復(fù)合材料中氧化鋅的摻雜比例不同，比電容相差較大。
　?。?）Zn-MOF-5由四面體的中心結(jié)構(gòu)[Zn4O(CO2)6]與對(duì)苯二甲酸連接起來形成的異于Zn-MOF-H2pdc的3D立體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)中有兩種不同的孔徑分布。本文第四章以Zn-MOF-5為模板分別制備了純凈的碳材料和具有

5、氧化鋅摻雜的復(fù)合材料。分析結(jié)果顯示：多孔材料具有微孔、介孔和大孔結(jié)構(gòu)，比表面積在598.9m2·g-1到968.2m2·g-1之間。純凈碳材料的比電容最高可以達(dá)到158F·g-1，這優(yōu)于前一種3D結(jié)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)行氧化鋅摻雜后，所得材料具有超寬的電勢窗口（1.85V），這優(yōu)于文獻(xiàn)所報(bào)導(dǎo)的水相體系。超寬的電勢窗口保證了其具有超高的比電容——748F·g-1，電容性能優(yōu)于前兩者。
　　過實(shí)驗(yàn)可知，1D模板在碳化中可以形成良好的孔徑結(jié)構(gòu)，能夠

6、有效防止高溫碳化過程中由于模板結(jié)構(gòu)坍塌造成的不利于離子傳導(dǎo)的封閉性孔徑結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)為比表面積相對(duì)較小。Zn-MOF-H2pdc的模板結(jié)構(gòu)有利于形成大的比表面積，尤其當(dāng)有氧化鋅摻雜時(shí)，其比表面積可達(dá)1518.9m2·g-1，但3D結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了碳化中閉孔的形成，這使得材料的比電容受到限制。Zn-MOF-5具有很好的剛性同時(shí)具有兩種孔徑結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于形成復(fù)雜的孔徑，這不但保證了較高的比表面積，而且有利于充放電中電子的傳導(dǎo)，是這三個(gè)中最好的