Co-MOF衍生物阵列用于柔性高性能超级电容器的研究

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近年以来,随着《巴黎协定》进入实施阶段,我国出台各项政策大力发展风能、太阳能等非化石能源,同时降低化石能源消耗的比重。而非化石能源如风能、太阳能以及地热能等往往转化为电能储存,因此储能器件的研究已成为研究者关注的焦点。而且,人们的物质文化需求也对储能器件提出了更高的要求。因此大容量、寿命长、安全、环保廉价的电能储存设备的研发显得非常重要。与此同时,传统储能储存设备(如铅酸电池)也难以满足新能源汽车和便携式电子设备的进一步发展。超级电容器作为一种新型的电能储能设备,由于其功率密度大、循环寿命长、倍率性能好以及安全环保等特性受到了科研工作者们的广泛关注。但目前为止,市面上的商用超级电容器以碳材料为主,受限于较低的能量密度等原因,使用范围往往有限。因此具有高能量密度的超级电容器有待研究。金属有机框架(Metal-organic frameworks,简称MOFs)衍生的纳米阵列以其独特的形貌和较大的比表面积被广泛应用于储能电极材料。在此,本论文主要从二维Co-MOF纳米阵列材料着手,通过碳化或者硫化处理,有效改善体系导电性。再搭配高容量NiMn水滑石,最大限度的提高电极的能量密度。具体的研究内容如下:(1)采用共沉淀法在柔性碳布基底上合成Co-MOF纳米片阵列前驱体,经过Ar气氛下的退火碳化形成CoO、N掺杂的碳纳米片(简称CNS)阵列,然后在Ni和Mn的盐溶液中通过水热法生长NiMn水滑石得到CNS@NiMn-LDH电极。另外,为了探究CNS支撑骨架适用范围的普遍性,用电化学沉积法在CNS上沉积FeOOH并在Ar气氛下退火得到CNS@Fe2O3电极。在三电极碱性体系下,CNS@NiMn-LDH电极材料拥有高达1.851 C cm-2的面积比容量。在电流密度为1 A g-1,,有高克容量为751 C g-1,并在循环超过2300圈后仍保持初始容量的82%。经过对比分析得到,得益于CNS@NiMn-LDH电极比表面积更大、导电性更好以及独特的纳米结构,其电化学性能更为优异。最后,CNS@NiMn-LDH正极与CNS@Fe2O3负极匹配制作出的非对称超级电容器表现出了较高的功率密度和能量密度。(2)同样以柔性碳布基底生长Co-MOF纳米片阵列前驱体,通过水热硫化得到钴硫化物(Co-S)纳米片阵列,再二次水热生长NiMn水滑石,得到非晶态中空镍硫化物(Ni-S)复合NiMn水滑石形成Ni-S@NiMn-LDH核壳结构电极。不同于前面的工作,我们的Ni-S@NiMn-LDH核壳结构电极中Ni-S和NiMn-LDH同时参与了容量贡献。这不仅增加了面积比电容,而且提高了克容量。此外,由Ni-S@NiMn-LDH核壳结构电极在电化学测试中由于核、壳都参与反应,其表现了出更高的功率密度、更高的能量密度和良好的倍率性能。该电极由于充放电过程形变较大,因此循环稳定性相对较差,这还有待进一步研究解决。
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