Keggin型钒钨酸盐和Dawson型磷钨酸盐的制备及超电性能研究

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化石燃料燃烧造成的能源消耗和环境污染,使开发替代性能源存储技术成为解决问题的重要途径之一。超级电容器是一种对环境友好、充放电快速的新型储能装置,由于其较高的功率密度、持久的循环稳定性等优点而备受青睐。电极材料是超级电容器的重要组成部分。要获得性能优异的超级电容器需要从电极材料的设计和可控制备开展研究。多金属氧酸盐(POMs)具有优越的质子/电子转移和储存能力,是超级电容器理想的电极材料。Keggin和Dawson型POMs是两种最经典的多酸结构。Keggin POMs可以快速转移电子,引入V元素能极大提高其性能。然而其作为超级电容器电极材料的研究尚不深入,探究Keggin型钒钨酸盐杂化物的结构和超电性能的联系是非常有意义的。此外{P2W18}POMs拥有18个WV,氧化还原能力更强,而且前驱体稳定、合成方法多样、材料易得,是优良的赝电容材料。基于此,本文利用前驱体水热法,选取合适的有机配体和过渡金属为结构导向剂,调控反应条件制备了6例不同修饰程度的系列杂化物,研究其超级电容性能和电催化性质,总结化合物的组成、结构与性能之间的关系。利用元素组成分析、IR、TG、XRD、价键计算以及单晶X-射线衍射技术,确定六种化合物分子式如下:(Hami)(ami)3[{Ag(bipy)]2(ox)}{VW12O40}](1)(Hami)(ami)3(H2py)2[{V0.5O}2{V0.25O}2{VW12O40}]·2H2O(2)(Htriethylamine)3(triethylamine)2[VW12O40]·2H2O(3)(bipy)0.5{Ag(bipy)2}[{Ag4(bipy)7}{Na P2W18O62}]·H2O(4)(Himi)11(imi)[K{P2W18O62}2]·8H2O(5)(Hpy)(Htetra)5[P2W18O62](6)(ami=2-aminopyridine,ox=oxalicacid,py=pyrazine,bipy=2,2’-bipyridine,imi=imidazole,tetra=1H-tetrazole)化合物1-3的Keggin型聚阴离子[VW12O40]3-是磷钨酸在水热条件下原位转化而成的,化合物1是由双核配合物{[Ag(bipy)]2(ox)}为桥联单元的1-D链状结构;化合物2为吡嗪和2-氨基吡啶连接的钒帽修饰的三维超分子结构,化合物3是通过有机配体三乙胺修饰的ABAB式的三维网络结构;化合物4是四核配合物{Ag4(bipy)7}连接{Na[P2W18O62]2}二聚体而形成的独特的三维超分子结构,化合物5是由咪唑配体连接{K[P2W18O62]2}二聚体而形成的三维超分子网络,化合物6是通过两种配体1H-四氮唑和吡嗪修共修饰的复杂三维超分子网。化合物1-6制备成玻碳电极与碳纸电极,通过循环伏安、恒电流充放电、循环稳定性、交流阻抗及赝电容贡献率等手段,评估其超电性能。结果表明化合物1具有优秀的电化学稳定性,较高的比电容(电流密度分别为3、6、9、12、15 A/g时比电容为:1102.4、914.1、798.3、673.6、613.9 F·g-1)和电容保持率(>90%)以及优秀的赝电容行为。事实证明规则的孔道结构、金属配合物的引入和丰富的π-π作用,有利于电极材料展现出更优越的赝电容属性,这六种材料在超级电容器实际应用方面具有潜在的应用。此外化合物1-6在电催化还原过氧化氢方面具有很好的活性,是优秀的电催化材料。
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