基于MOF的多孔碳材料在超級電容器上的應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在社會對能源的需求日益增加。超級電容器作為一種新型的儲能元件，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)點而被用作超級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在超級電容器上的應(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摳綄嶒灥缺碚髁丝讖浇Y(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)對超級電容器性能的影響。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。
　　過實驗可知，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)。缺點為比表面積相對較小。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，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)，是這三個中最好的