过渡金属(Co、Ni)/碳电极的构筑及其超级电容器性能研究
超级电容器由于具备功率密度高、充放电速度快以及循环使用时间长等优良特质，在电化学能量存储领域掀起了新一轮的研究热潮。但较低的能量密度是阻碍其实际应用的关键。根据公式E=1/2CV2，电极材料的比电容大小与器件的工作电势范围共同影响着器件的能量密度。本文选取过渡金属（钴、镍）作为电极反应的活性成份，金属有机框架作为多孔碳结构的有序模板，通过高温一步煅烧法制备得到具有超高赝电容特性的超级电容器电极材料，并通过组装成水系非对称的超级电容器有效地拓宽了器件的工作电压范围。本论文主要分为四个部分:第一部分主要介绍了超级电容器和金属有机框架材料的背景知识，包括超级电容器的工作原理、金属有机框架及其衍生材料的结构、组成特点及其在超级电容器领域的研究进展;第二到第四部分分别描述了硕士研究生期间的主要研究内容。 具体研究工作总结如下: 1、利用含有N、S元素的4，4'-联吡啶和噻吩-2，5-二羧酸两种有机配体在不同溶剂中对应的不同配位能力，分别在水相和乙二醇相中合成出两种不同形貌的Co-MOFs前驱体，在800℃下热处理120分钟后制得Co9S8/S、N共掺杂多孔石墨碳复合物。与水相中合成的块体状Co-MOFs(10～100μm)相比，乙二醇相中合成的小尺寸立方状Co-MOFs(1～2μm)经高温热解所得的产物Co9S8@SNCC具有更高的比表面积和更有利于传质的多孔结构。将Co9S8@SNCC作为超级电容器电极材料在1A g-1电流密度下进行充放电测试，其比电容值为429F g-1，且在5A g-1电流密度下循环充放电2000次测试后的结果发现，其比电容仍能保持原有性能的98％，证明Co9S8@SNCC具有优异的结构稳定性。 2、在第一个工作基础上，通过调控MOFs前驱体材料的反应比例，以及调整制备路线，在室温下合成了二维片层结构钴镍双金属MOFs材料（尺寸约为2μm），在550℃热处理后，获得超细CoNi合金纳米颗粒（粒径约～10nm）修饰的S、N共掺杂石墨碳复合材料CoNi@SNC。将其作为超级电容器电极材料进行测试，结果表明在1Ag-1电流密度下CoNi@SNC材料的比电容可达1920Fg-1，在800W kg-1的功率密度下其能量密度高达55.7Wh kg-1。电化学测试前后材料表征结果表明，高电容器存储能力主要来自强碱性条件下钴镍双金属表面氧化生成的高活性物种，增强了对OH-的结合能力。 3、以金属片（Ni、Co、Zn、Mg、Cu等）和酸性有机配体（如1，3，5-均苯三甲酸）作为前驱体，在水热条件下合成了一系列一维带状MOFs（直径约为1～2μm）结构组成的水凝胶，经过冷冻干燥获得相应的轻质多孔三维气凝胶材料。MOFs水凝胶的形成主要是通过水热处理过程中金属片溶解出金属离子进而与酸性有机配体配位形成一维MOFs结构单元，再通过分子间的弱相互作用组装构成三维的水凝胶材料。以形成的Ni-MOFs材料为例，将其直接制成超级电容器电极在1Ag-1条件下测得的比容量是240F g-1，表明其具有一定的超电存储能力。这种简单绿色的制备方法可用于大规模合成金属有机框架水凝胶及气凝胶材料，在环境、能源等方面具有广阔的应用前景。
超级电容器;非金属电极材料;制备工艺;性能表征
中国科学技术大学
硕士
材料物理与化学
赵惠军
2018
中文
TM53;TM242:TM205.1
77
2018-09-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）