有机框架材料的合成及其电化学性能研究

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有机框架材料是一种新型的晶态多孔材料。它主要由金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks,简称MOFs)和共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks,简称COFs)组成。通常,这类材料具有高的比表面积、孔道尺寸和孔道环境可调控、大量的金属活性位点、多样的结构等特点,使得其被广泛用于气体存储与分离、药物传输、催化、化学传感等领域。近年来,将有机框架材料作为电池电极材料也受到了越来越多的关注。本文首先制备了由铜离子和羟基连接的MOFs材料,对其电化学性能进行了测试并对电化学储能机理进行了进一步探究。有机配体和金属离子同时贡献容量使得材料具有远高于前期的文献报道值。本文的研究结果将进一步拓展金属有机框架材料在电极材料中的应用,为设计具有高比容量的金属有机框架电极材料提供了新的方向。接着,使用含有乙烯官能团的共价有机框架材料作为硫的载体材料,对所获得的复合电极材料的电化学性能进行研究。研究内容如下:一、采用水热法以四羟基苯醌(THQ)为有机配体铜离子为连接单元制备了Cu-THQ-MOF材料。使用XRD、SEM、TEM、BET、EA等测试手段对材料的组成和结构进行了测试。采用循环伏安、恒电流充放电等测试方法对材料的电化学性能进行了研究。使用FT-IR、XANES等测试方法对材料的电化学反应机理进行了研究。测试结果显示,该材料在50 m A g-1的电流密度下具有445 m Ah g-1的容量。电化学机理分析显示该MOFs材料中的有机配体能够实现3个电子的氧化还原,金属离子能够实现单电子的氧化还原。二、使用溶剂热法以2,3,6,7,10,11-六羟基三苯(HHTP)作为有机配体铜离子为连接单元制备了Cu-HHTP-MOF材料。通过XRD、SEM、TEM、BET等表征手段对材料的组成和结构进行了测试。采用循环伏安、恒电流充放电等测试方法对材料的电化学性能进行了研究。测试结果显示,材料具有十分优异的倍率性能和较好的循环稳定性。该材料在20 m A g-1的电流密度下其容量约为170 m Ah g-1。三、使用溶剂热法制备了孔道内壁含有乙烯官能团的共价有机框架材料COF-V,将硫与COF-V加热反应获得了S-COF-V材料。使用XRD、SEM、TEM、BET、FT-IR等测试手段对材料的组成和结构进行了测试。采用循环伏安、恒电流充放电等测试方法对材料的电化学性能进行了研究。测试结果显示S-COF-V具有优异的循环稳定性。
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