钴镍MOF微纳米材料的合成及其电化学性能的研究

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世界经济迅速发展,对能源的需求迅速增加,开发清洁、可持续、高效的能源已成为当今研究者的首要任务之一。此外,由于人们越来越重视可再生能源,寻找更好的能量转换技术以更快的速度开发可再生能源的研究也得到了推动。目前来说,要实现该转换技术的核心就是要找到合适灵敏的电催化材料。相比以往的贵金属来说,金属有机骨架材料(MOFs)因其结构独特、合成工艺简单、催化性能稳定而被广泛应用。因此,本论文以寻求性价比高、性能优异的电催化材料为研究目标,合成具有二维超薄结构、高活性、性能稳定的金属有机骨架材料作为电催化剂,并在此基础上进行一系列的催化生物有机小分子的电化学性能测试以及在超级电容器中的应用。研究主要包括以下几个方面:(1)二维片状结构Co-MOF的制备及其在葡萄糖电催化方面的应用以DMF/C2H5OH为溶剂,以对苯二甲酸为配体,使用一步溶剂热法制备了目标产品Co-MOF即Co2(OH)2PTA。实验中发现,由于原料投入比的不同,合成的Co-MOF具有两种结构,一种为壳状多层,另一种为超薄2D纳米片,但两种Co-MOFs所含元素和官能团均相同,是同一种物质。通过一系列的表征和电催化性能研究,与壳状多层Co-MOF相比,发现在碱性电解质中,超薄二维(2D)纳米片(厚度约2.041 nm)对葡萄糖的电催化特性具有较好的稳定性、较高的灵敏度(219.67μA mM-1cm-2)、较好的活性,优异的选择性,0.25μM低检测限(信噪比S/N=3),线性范围更为广阔(0.5-8065.5μM),更适合作为电催化葡萄糖氧化(GOR)反应的电极材料。(2)二维片状结构Ni-MOF的制备及其在抗坏血酸电催化方面的应用采用简单的溶剂热法,以DMF/NaOH为溶剂,以对苯二甲酸为配体合成了超薄纳米片状Ni-MOF组装体即[Ni3(OH)2(C8H4O4)2(H2O)4]·2H2O。为了探索合适的电催化剂,采用水热反应4小时、8小时、12小时对三组样品进行了相貌表征,并用普通磷酸盐缓冲溶液(PBS,pH=7.2)对高效催化抗坏血酸(AA)进行了电催化性能实验。电化学实验结果显示,AA氧化反应具有良好的催化活性和稳定性,线性范围(0.5μM-8065.5μM),良好的检测限(0.25μM)。分析其本质的原因可能与超薄纳米片的结构有关,这种结构不仅为提高电催化性能提供了途径,而且其特殊的聚集形态也使其在电催化AA中更加稳定。(3)空心结构NiCoFeLDH@ZIF-67的制备及其电化学方面的应用采用简单的合成方法,在制备的ZIF-67材料基础上掺杂了 Ni2+和Fe3+,通过控制刻蚀时间(6h),来制备具有空心结构的NiCoFeLDH@ZIF-67,并在超级电容器中测试其电化学性能。电化学性能表示,空心结构的NiCoFeLDH@ZIF-67使电极的电容和氧化还原反应动力学过程得到明显优化,电性能优异。电流密度被设置成5 A g-1时,空心结构的NiCoFeLDH@ZIF-67有着1202.08 F g-1的高比电容,突出了其高功率的特点。尤其是空心结构的NiCoFeLDH@ZIF-67复合材料具有良好的循环稳定性、更好的电容可逆性和更大的电容量,提高了电极的循环寿命,是一种非常优异的超级电容器电极材料。
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