【摘 要】
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由于具有大的功率密度、充放电速度快、循环稳定性好、绿色环保等优点,超级电容器在能源存储领域被广泛应用。金属有机骨架材料(MOFs)是由金属离子和有机配体组装而成的多孔配
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由于具有大的功率密度、充放电速度快、循环稳定性好、绿色环保等优点,超级电容器在能源存储领域被广泛应用。金属有机骨架材料(MOFs)是由金属离子和有机配体组装而成的多孔配位聚合物,其衍生材料具有可控的形貌、大的比表面积和丰富的孔隙率等优势,在超级电容器领域展现了广阔的应用前景。然而,MOFs的种类极多且结构千变万化,如何设计一种结构新颖的MOFs用于合成拥有优异电化学性能的电极材料仍然备受关注,也具有很大挑战性。本论文主要研究内容如下:1. 首先在0℃、25℃和60℃下分别合成了具有菱形、鳞片状和去顶双锥体三种形貌可控的Cu-MOF 1样品。通过煅烧热解这三种样品合成了Cu@C复合材料,随后用浓HCl蚀刻和KOH活化分别得到活性多孔碳材料APC-0,APC-25,APC-60。有意义的是,在这些APCs样品中,APC-25呈疏松多层的卷心菜形貌,具有大的比表面积(1880.4 m2 g-1)和孔体积(0.81 cm3 g-1)。因此在0.5 A g-1的电流密度下,APC-25电极表现出高的比电容196 F g-1,其相应的对称性超级电容器在350 W kg-1的功率密度下展现了大的能量密度(11.8 W h kg-1)。有意义的是,6个对称性超级电容器可以点亮五个LED灯,这说明APC-25在能量存储方面具有良好的实际应用价值。2. 本章工作中,一个具有2D(4,4)层结构的薄片状Cu-MOF 2被成功合成。Cu-MOF 2被作为前驱体通过煅烧热解法得到Cu@C复合材料,随后用浓盐酸刻蚀和KOH活化,得到了具有大BET比表面积(2491 m2 g-1)和孔体积(1.50 cm3 g-1)的多孔碳纳米片(PCNs)材料。有意义的是,在高负载8 mg cm-2下,PCNs电极仍具有超高的电容。电流密度为0.5 A g-1时,比电容值为260.5 F g-1,尤其组装的对称性超级电容器,其能量密度与功率密度分别为18.38 Wh kg-1和350 W kg-1。因此,PCNs是一种具有竞争力和广泛应用前景的电极材料。3. ClO4-离子作为一个能量点被引入到Ni-MOF的灯笼状微球中。然后将Ni-MOF作为前驱体进一步煅烧,将升温速率分别设定为1,2,3℃ min-1,得到一系列Ni O材料。研究发现,不同升温速率下,ClO4-离子的爆炸效果明显不同。在3℃ min-1下,Ni-MOF生成了菜花状的纳米颗粒(Ni O-3)。由于Ni O-3大的比表面积,在三电极系统中,Ni O-3表现出了超高的比电容1863 F g-1。由Ni O-3与商业活性碳组装的非对称性超级电容器在0.5 A g-1的电流密度下能量密度高达38.4 Wh kg-1。有意义的是,非对称性超级电容器能够轻松点亮LED灯、带动风扇和玩具车,表明Ni O-3作为电极材料具有巨大的实际应用前景。
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