LICP OpenIR  > 固体润滑国家重点实验室(LSL)
MOFs基复合材料及其衍生物的制备及电化学性能研究
何淑花1,2
Subtype工学博士
Thesis Advisor杨生荣 ; 王金清
2017-11-16
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Department固体润滑国家重点实验室
Degree Discipline材料学
Keyword金属有机骨架 电化学性能 锂离子电池 超级电容器 Metal-organic Frameworks Electrochemical Performance Lithium Ion Batteries Supercapacitors
Abstract

    随着世界经济的快速发展和人口的急剧增长,能源的需求急剧膨胀,然而环境污染的日趋严重,使得化石燃料等传统能源的弊端逐渐显露,因此新型清洁能源的开发和利用也越来越受各国政府及产业界的重视。能源存储和转换装置作为当前新能源技术的主要瓶颈,已成为当前研究的重点。作为储能器件的核心物质基础,电极材料的性能优劣是决定其电化学性能的关键。因此,研究与开发具有高容量、高功率的新型电极材料势在必行。

    金属有机骨架(MOFs)材料作为一种新型的多孔材料,其高孔隙率和高比表面积有益于电解液在其孔道中的渗透和离子的快速扩散;同时,MOFs材料中的金属离子或金属团簇都可以作为电化学过程中的氧化还原位点,因而MOFs材料成为一类颇具应用潜力的电化学储能电极材料。但是其自身导电性较差,并且在电解液中的结构稳定性较差,都在一定程度上限制了其性能的充分发挥。针对上述问题本论文分别通过F掺杂、导电碳材料包覆和制备双金属有机骨架材料三种方式对MOFs材料进行了结构优化,通过提高其导电性和结构稳定性来实现性能优化,并对其电化学性能和机理进行了系统性研究和分析。此外,以双金属有机骨架作为前躯体和模板,在碱溶液的辅助下制备得到双金属氢氧化物材料,将其用作超级电容器电极材料,对其电化学性能进行了研究和分析。主要研究内容和结果如下:

    1、用F取代MOFs骨架中的部分配体,来破坏骨架金属中心离子的全配位,使得金属离子更易接近,使其具有更高的电化学反应活性;此外,较强M−F键的形成可有效提高MOFs材料的结构稳定性,从而实现MOFs材料电化学性能的优化。通过改变体系中HF的加入量,采用溶剂热法成功制备得到了一系列氟掺杂的Mn-MOF(F-MOFs)材料,并对其进行电化学性能测试,探究氟掺杂量对MOFs材料电化学性能的影响。结果表明:与单一MOF材料相比,F-MOFs材料的电化学性能显著提升;F掺杂量对所得F-MOFs材料的电化学性能有较大影响,适度的氟化可以显著提升MOFs材料的性能,过度氟化将会在电极材料表面形成一层氟化物界面钝化膜,导致材料性能变差,其中HF加入量为3mmol制备所得F-MOF材料具有最优的电化学性能。

    2、通过构筑MOFs/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料,一方面提高复合材料的导电性,另一方面缓解并抑制MOFs骨架在充、放电过程中体积的剧烈变化,有效保持电极材料的结构完整性,从而实现MOFs材料电化学性能的优化。以对苯二甲酸修饰的氧化石墨烯(GO)片层作为MOF晶体成核及生长的模板和结构导向剂,采用溶剂热法成功制备得到了不同含量RGO包覆的MOF/RGOn复合材料,对其进行电化学性能测试,探究RGO包覆量对复合材料电化学性能的影响。结果表明:与单一MOF材料相比,MOF/RGOn复合材料的性能显著提升;RGO包覆量对MOF/RGOn复合材料的性能有较大影响,其中当GO加入量为10wt%时所得MOF/RGO10复合材料表现出最优的电化学性能。

    3、用Co2+取代Ni-MOF骨架中的部分Ni2+,通过在骨架中引入大量的自由空穴来提高材料的导电性,实现MOFs材料电化学性能的优化。通过改变体系中Co/Ni的摩尔比,采用溶剂热法成功制备得到了一系列双金属Co-Ni-MOF材料,并对其进行电化学性能测试,研究Co/Ni摩尔比对材料电化学性能的影响。结果表明:与单一Ni-MOF材料相比,Co-Ni-MOF材料的导电性和电化学性能均显著提升;Co/Ni摩尔比对材料的性能也有较大影响,其中摩尔比为1:1制备所得复合材料具有最优的电化学性能。

    4、以双金属Co-Ni-MOF作为前躯体和模板,在碱溶液的辅助下成功制备得到了NixCo1-x(OH)2材料,对其进行电化学性能测试,结果表明:材料中Co2+的存在不仅可以显著提升材料的导电性,Co(OH)2相的存在也对NixCo1-x(OH)2材料的电容有一定的贡献作用;与Ni-MOF衍生所得Ni(OH)2材料相比,NixCo1-x(OH)2材料的电化学性能显著提升,组装所得NixCo1-x(OH)2//AC不对称超级电容器表现出优异的循环稳定性能。

Subject Area新能源材料
Funding Project聚合物摩擦学研究组
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.licp.cn/handle/362003/22837
Collection固体润滑国家重点实验室(LSL)
Affiliation1.中国科学院兰州化学物理研究所
2.中国科学院大学
First Author AffilicationLanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences
Recommended Citation
GB/T 7714
何淑花. MOFs基复合材料及其衍生物的制备及电化学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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