【摘 要】
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超级电容器是一种新颖高效的储能设备,既有功率密度高、长使用寿命、安全性高的优点,又可以快速存储和释放电能。因此,超级电容器在诸如便携式电子设备,新能源汽车以及自然资
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超级电容器是一种新颖高效的储能设备,既有功率密度高、长使用寿命、安全性高的优点,又可以快速存储和释放电能。因此,超级电容器在诸如便携式电子设备,新能源汽车以及自然资源领域均有广阔的发展潜能。影响超级电容器性能的主要因素是电极材料的性能,目前研究者们研究最多的材料是碳基材料、过渡金属氧化物、导电性高分子,以及由这三类材料构成的复合材料。近年来一种新型的多孔材料逐渐发展起来,即金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs),它具有大的比表面积、多孔性、孔隙可调节性、易于功能化、特殊的光、电特性等优点。其中,最为典型的一种金属有机骨架材料为沸石咪唑酯框架材料(Zeolite Imidazole Frameworks,ZIFs),该种材料是以钴离子或锌离子作为金属中心,以咪唑或者咪唑类衍生物为配体链接而成的一种多孔材料,这种多孔材料与沸石骨架结构类似,除具有MOFs的优点外,还具有类似沸石的稳定性,故而在高性能的超级电容器中具有很大的发展潜力。本文选取最具典型的ZIF-67材料,并将其和Mn基材料复合制备复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对其结构和形貌进行表征,最后通过电化学工作站对材料进行循环伏安、恒流充放电、交流阻抗和循环稳定性等电化学表征,本论文的主要研究内容如下:(1)通过水热法制备出了ZIF-67样品,并通过XRD、SEM、TEM和XPS其进行结构和形貌表征,发现该样品呈现多面体状,且分布均匀;通过对ZIF-67进行煅烧,得到Co3O4样品,并通过XRD、SEM、TEM对其结构和形貌表征,发现制得的样品与标准卡片一致,样品表面粗糙,且形貌分布较为均匀;(2)将Co3O4样品在电化学工作站下分别进行循环伏安、恒流充放电、倍率性能及循环稳定性测试,发现在扫描速率分别为1、2、5、10、20、50、100 m V/s时的比电容分别为156、154、146、130、103、65、46 F/g,随着扫描速率的增加,比电容下降;当电流密度由1A/g增加到10A/g时,比电容由187F/g降到45F/g,比电容的保持率为25%左右;当进行2000次的循环后,比电容的保持率在80%左右,说明该样品的电化学性能有待提高;(3)基于上述结论,制备出了ZIF-67@Mn-ZIF复合材料,并将其进行煅烧得到Co3O4@Mn O2,通过XRD进行表征,发现样品与单一的样品并无明显差别,即没有明显的Mn元素的特征峰,为证实其成分的正确性,进一步进行了XPS测试,发现样品中含有Mn元素的谱图;通过SEM和TEM进行结构表征,发现样品形貌均匀,形貌呈现多面体状,煅烧后的样品呈空心结构;(4)将Co3O4@Mn O2样品在电化学工作站下分别进行循环伏安、恒流充放电、倍率性能及循环稳定性测试,发现在扫描速率分别为1、2、5、10、20、50、100 m V/s时的比电容分别为337、334、314、282、239、164、109 F/g,可以明显看出与单一材料相比,复合材料的性能更佳;当电流密度由0.5A/g增加到10A/g时,比电容由413F/g降到168F/g,在电流密度增加20倍时比电容的保持率为40%左右;当进行2000次的循环后,比电容的保持率在110%左右,说明该样品的电化学性能与单一样品相比有了很大的提高。
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