负载MOFs电纺纤维的制备及电化学性能研究

来源 :中北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wenshicai2009
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伴随着当今社会的飞速发展,纳米技术也在这场科技洪流中扮演着重要的角色,这与纳米材料的推陈出新密不可分,而静电纺丝技术作为制备连续纳米纤维的重要方法发挥着极为关键的作用。该技术经济环保,制备简单。电纺纤维通常与其他功能材料相复合,使其应用领域更加广泛。与此同时,金属有机骨架材料具有高比表面积,高孔隙率,结构有序性和稳定性,但是由于其尺寸的限制,难以大规模应用。因此我们以电纺纤维为载体,利用静电相互作用,制备出负载有金属有机骨架材料的电纺纤维,通过碳化得到多孔碳纳米纤维,用于超级电容器电极材料和电解水电催化剂。主要研究内容及结论如下:(1)以等质量比的聚丙烯酸(PAA)和聚乙烯醇(PVA)溶液为纺丝溶液,通过静电纺丝技术得到PAA/PVA电纺纤维,利用静电作用将Zn2+吸附到交联处理后的电纺纤维表面,有机配体再与Zn2+结合,制备出负载ZIF-8的PAA/PVA电纺纤维,经过不同温度的碳化处理,得到ZIF-8基多孔碳纤维复合材料,用作超级电容器电极材料。通过形貌和结构表征,证明ZIF-8已经成功负载到PAA/PVA电纺纤维表面,同时碳化温度900℃的ZIF-8基多孔碳纳米纤维的比表面积最大。通过电化学测试,发现碳化温度900℃的ZIF-8基多孔碳纳米纤维的比电容要高于碳化温度800℃和1000℃的ZIF-8基多孔碳纳米纤维的比电容。当电流密度为1 A/g时,碳化温度900℃的ZIF-8基多孔碳纳米纤维的比电容为151 F/g。该材料充放电循环稳定性较好,电流密度为5 A/g时充放电循环10000次之后比电容仍然保留初始比电容的98.9%。(2)利用浸泡法,将交联处理后的PAA/PVA电纺纤维膜浸泡到硝酸钴溶液中,在电纺纤维表面获得Co2+,再与有机配体溶液进行混合,实现ZIF-67在PAA/PVA电纺纤维表面的组装。通过不同碳化温度处理,得到ZIF-67基多孔碳纳米纤维,用作析氧反应和析氢反应的电催化剂。通过形貌和结构表征,发现ZIF-67负载到PAA/PVA电纺纤维表面,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维比表面积要大于碳化温度600℃、800℃和900℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维的比表面积。通过电化学测试,表明碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维表现出较好的析氧性能,在0.1 M KOH溶液中,电流密度为10 mA/cm2时,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维的过电位为0.33 V,对应的塔菲尔斜率为175.87 mV/dec;同时碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纤维复合材料表现出较好的析氢性能,在0.5 M H2SO4溶液中,电流密度为10 mA/cm2时,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维的过电位为0.33 V,对应的塔菲尔斜率为63.65 mV/dec。此外,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维无论是在析氧反应中还是在析氢反应中,均表现出较好的稳定性。(3)通过浸泡法得到负载ZIF-67的PAA/PVA电纺纤维,经过600℃、700℃以及800℃的碳化处理,再经过酸处理造孔,制备出高比表面积ZIF-67基多孔碳纳米纤维,用作超级电容器电极材料。通过形貌和结构表征,发现ZIF-67基多孔碳纳米纤维的表面出现很多孔隙,具有较高的比表面积,同时碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维的比表面积最大。通过电化学测试表明,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维的比电容较高,在2.0 M H2SO4溶液中,当电流密度为0.2 A/g时,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纤维复合材料的比电容为95.44 F/g。同时该材料具有较好的充放电循环稳定性,在电流密度为5 A/g下,恒流充放电10000次,碳化温度700℃的ZIF-67基多孔碳纳米纤维比电容损失0.8%。
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