中空MOF-74的可控制备及电化学储钠应用研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Z12456879
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已成功商业化的锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环境友好等优势,但锂资源的匮乏以及空间分布不均,极大地限制了其大规模应用。得益于钠资源丰富且成本低以及与锂离子电池相似的工作机理,钠离子电池被认为是锂离子电池的优选替代之一,并有望应用于大规模储能系统中。然而,由于钠离子比锂离子大且重,导致其在电极材料中的嵌入/脱出时的电化学反应动力学缓慢,电极的体积变化严重,循环稳定性差。因此,钠离子电池的规模化应用对电极材料提出了更高的要求。在这些电极材料中,由金属有机框架衍生的多孔碳具有分级多孔结构、比表面积高等优点,表现出良好的电化学储钠性能。但大多数的金属有机框架是实心的,其衍生的多孔碳通常会继承这种实心结构,而实心结构通常具有差的离子扩散动力学和结构稳定性。研究表明,电极材料中空结构的构筑,可有效抑制体积变化诱导的应力,能提供更多的储钠活性位点,促进电荷的传输,进而改善电极的电化学性能。鉴于此,本论文成功制备了拥有不同孔径尺寸的MOF-74、MOF-74-II和MOF-74-III简易中空立方块,同时还合成了具有更复杂结构的中空三壳层MOF-74立方块。随后,采用简单的高温碳化处理,进一步制备由MOF-74衍生的中空多孔碳,并探究了它们的电化学储钠性能。主要研究结果如下:(1)以ZIF-67立方块为前驱体,采用溶剂辅助配体交换法,通过调控ZIF-67的溶解速率与Co-MOF-74的形核速率,制备了具有中空单壳层结构和中空双壳层结构的Co-MOF-74立方块。同时,将更长的3,3’-二羟基-4,4’-联苯二甲酸和3,3’’-二羟基-2’,5’-二甲基-[1,1’:4’,1’’-三联苯]-4,4’’-二羧酸配体替换Co-MOF-74的2,5-二羟基对苯二甲酸配体,其他反应条件不变,也成功合成了海胆状的MOF-74-Ⅱ和MOF-74-Ⅲ中空单壳层立方块。(2)采用一种结合溶剂辅助配体交换法和次序模板法的新策略,以ZnCo-ZIF和CuCo-ZIF立方块为前驱体,通过调控ZIFs的溶解速率、MOF-74的形核速率及2,5-二羟基对苯二甲酸配体在ZIFs中的渗入深度,成功制备出具有中空三壳层结构的ZnCo-MOF-74和CuCo-MOF-74立方块。另外,在相同反应条件下,若以MgCo-ZIF、NiCo-ZIF和MnCo-ZIF为前驱体,由于它们的孔结构没有ZnCo-ZIF和CuCo-ZIF稳定,未能充分保证2,5-二羟基对苯二甲酸配体在其中的渗透扩散,渗入深度较小,因而仅能得到中空双壳层MOF-74立方块。(3)选取中空单壳层、中空双壳层及中空三壳层的CuCo-MOF-74立方块为模板,在700℃下碳化120 min,并用稀硝酸去除金属物质,制备具有不同壳层数的中空结构多孔碳,并采用电化学分析手段对它们的储钠性能进行了评估。实验结果表明,CuCo-MOF-74衍生的中空三壳层多孔碳因其独特的中空三壳层结构,表现出最佳的电化学储钠性能,在0.05 A g-1的电流密度下,比容量为340.3 m Ah g-1,当增大电流密度到10 A g-1时,仍具有132.7 m Ah g-1的比容量。另外,在2.0 A g-1大电流密度循环5000周次后,其比容量几乎没有衰减。
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