Co-MOF/碳布复合电极的制备及电容性能研究

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超级电容器在能量储存与转换领域具有重要的应用价值。在众多的电极材料中,MOFs材料合成方法简单,结构可控,比表面积大,可作为超级电容器的电极材料。然而MOFs具有结构不稳定和导电性较差的缺点,导致循环稳定性和倍率性能不高。本论文以提升MOFs材料的导电性和稳定性为目标,选择简易可靠的方法分别将两种钴基MOF材料生长在碳布基底上,制成MOF/碳布复合电极,并通过SEM、XRD、XPS、FTIR等手段进行材料表征,最后利用三电极体系和不对称全固态超级电容器的两电极体系进行电化学表征。具体研究内容如下:(1)以1,3,5-苯三甲酸和Co(NO3)2·6H2O为原料,在两电极体系中,采用阴极电沉积法将钴基MOF(Co-MOF)直接沉积到预沉积Co层的碳布基底(CC)上,制备出Co-MOF/CC复合电极。三电极系统测试结果表明:电流密度为1m A/cm~2时,Co-MOF/CC电极具有1784 m F/cm~2的面积比电容和137 F/g的质量比电容;在5 m A/cm~2的电流密度下,连续10000次充放电循环后,其还能保持72%以上的初始容量;同时该电极具有较好的倍率性能和阻抗特征。将其作为正极,活性炭为负极制备的不对称全固态超级电容器,在385.3 W/kg的功率密度下具有23.1 Wh/kg的能量密度,同时具有较小的接触电阻和离子转移扩散电阻。(2)将预沉积Co层的碳布基底(Co/CC)浸泡在2-甲基咪唑溶液中,在室温下反应制备ZIF-67/CC(a)复合电极,另外,在2-甲基咪唑溶液中加入Co(NO3)2·6H2O补充Co源作为对比实验,制备ZIF-67/CC(b)复合电极。三电极体系电化学测试结果表明:电流密度为1 m A/cm~2时,ZIF-67/CC(a)电极具有1470 m F/cm~2的面积比电容和225 F/g的质量比电容,ZIF-67/CC(b)具有3396m F/cm~2的面积比电容和263 F/g的质量比电容;在5 m A/cm~2的电流密度下,连续充放电循环10000次后,两种电极均保持了90%以上的初始容量。以ZIF-67/CC(b)为正极,活性炭为负极制备的不对称全固态超级电容器,在420.2 W/kg的功率密度下具有20.3 Wh/kg的能量密度,并具有较小的阻抗特征和良好的倍率性能。
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