基于类沸石金属有机骨架复合材料的制备及其电化学性能的研究

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便携式电子设备和新能源汽车的兴起,提高了人们对安全、高效的储能设备的需求。超级电容器具有长循环寿命,高能量密度和高功率密度等优点,在储能领域发挥重要的作用,是一种有潜力的储能设备。而这种设备的性能与它的电极材料之间有着很大的关系。作为电极材料的一种,金属氧化物具有种类多,理论比电容高等优点,但单一的该材料本身固有的一些缺点,使其不能被广泛地应用在电容器上。因此,设计开发多组分、高性能的金属氧化物是非常有必要的。最近,大量的报道已证实成分复杂、分层结构的复合金属氧化物可以结合各单一组分的优点,应用在电容器上,可以改善电化学性能。本文以此为切入点,以类沸石金属有机骨架为模板,通过室温搅拌法、溶剂热法等方法负载金属硝酸盐得到前驱体,然后将前驱体进行退火处理得到样品,然后研究它们在超级电容器上的应用。本文开展的工作具体如下:(1)以类沸石金属有机骨架ZIF-67为模板,成功地合成了具有中空多面体结构和高电化学性能的三维多孔纳米材料Co3O4/ZnCo2O4/CuO。讨论了负载物硝酸锌和硝酸铜的质量比对复合材料电化学性能的影响,获得了电化学性能最佳的复合电极材料Co3O4/ZnCo2O4/CuO-1。Co3O4/ZnCo2O4/CuO-1较好地保持了ZIF-67的形状,壳体成分均匀,表现出优异的电化学性能。电流密度为1 A g-1时,比电容为890.2 F g-1。组建成的CZC-1//AC非对称超级电容器(ASC)可以在0-1.6 V的电压内进行可逆循环,可以提供35.82 Wh kg-1高的能量密度和4799.25 W kg-1大的功率密度。将两个ASC串联可以点亮各种颜色的LED灯。(2)研究了被纳米薄片包覆的三元ZnO/ZnCo2O4/NiO的合理设计与合成。以ZIF-8为模板,通过原位生长和溶剂热法成功地制备了核壳结构的多面体ZnO/ZnCo2O4/NiO复合材料。详细地讨论了硝酸镍与硝酸钴的摩尔比对ZnO/ZnCo2O4/NiO形貌、结构和电化学性能的影响。ZnO/ZnCo2O4/NiO-2作为电极材料,表现出较好的电化学性能。电流密度1 A g-1时,比电容为1136.4 F g-1,经过10000次充放电后,比电容是初始比电容的86.54%。ZZN-2//AC非对称超级电容器,电压可达到1.6 V,可以实现46.04 Wh kg-1的能量密度和7987.5 W kg-1大的功率密度。电容器设备经过充电一段时间后可以点亮LED灯,连续发光时间可以达到二十分钟左右,充分体现了该材料的实际应用价值。(3)通过晶种法、溶剂热法及煅烧处理成功地制备了分层的核-壳结构的ZnO/Co3O4/NiO三元复合金属氧化物。同时研究了负载物的量对产物形貌和电化学性能的影响,获得了电化学性能最佳的复合电极材料ZnO/Co3O4/NiO-2。电流密度为1 A g-1时,ZCN-2具有1600 F g-1的比电容,在10 A g-1电流密度下,经过10000次充放电后,ZCN-2的比电容仍是初始电容值的93.75%。ZCN-2//AC ASC在1.6 V电压下,能量密度最高可达95.82 Wh Kg-1,在10 A g-1电流密度下进行10000次充放电测试后循环稳定性可达到初始值的94.53%。并且经过充电后,两个串联的ASC可以成功地点亮一个LED灯。
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