MOF导向制备金属氧化物/硫化物材料及其在超级电容器中的应用

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超级电容器因具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点,在能源储存领域有着广泛的应用前景。在超级电容器的研究中,它的性能主要取决于电极材料。然而,由于理论电容高、化学价态广和廉价,过渡金属氧化物/硫化物被广泛认为是两种具有前景的电极材料。  金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks,MOF)是由金属离子中心和有机配体自组装形成的一类具有周期性网络结构的多孔材料。在过去的20年里研究者们一直致力于开发新结构的MOF和探究它在各方面的应用。最近,MOF被认为是制备多孔或中空金属氧化物/硫化物和多孔碳有用的前驱体,这使MOF成为在功能材料领域研究的热点。  本文致力于以MOF为前驱体制备多孔或中空金属氧化物/硫化物,并详细研究它们在超级电容器中的应用。论文主要包括以下部分:  通过简易水热法以 Co2+与烟酸合成了花状 Co-MOF前驱体。然后通过煅烧 Co-MOF成功制备了多孔 Co3O4微米花。由于有机配体的分解,制备的 Co3O4具有高的比表面积和多孔结构,并且在碱性电解质中展现优异的循环稳定性。  利用对苯二甲酸为配体采用水热法合成了蛋黄-壳状 Ni/Zn-MOF前驱体。在 Ni/Zn-MOF前驱体的形成过程中,探究了反应时间对Ni/Zn-MOF形貌的影响。通过调节反应时间,Ni/Zn-MOF的形貌可以从球形变成蛋黄-壳状。有趣的是,空气中煅烧后所得的NiO/ZnO变成了双壳中空结构。电化学性能研究表明,制备的双壳 NiO/ZnO中空球表现了优秀的循环性能。即,在电流密度5.2 A g?1时,最初的800次循环中 NiO/ZnO的比电容从408 F g?1逐渐增长到478 F g?1,并且在此后的1200个充放电循环后,比电容几乎没有衰减。  利用离子交换的方法成功制备了NiS2/ZnS中空球。系统讨论了NiS2/ZnS中空球的形成过程。得益于其中空结构和协同效应,制备的NiS2/ZnS中空球在电流密度为1 A g?1时展现出较高的比电容1198 F g?1。此外,基于NiS2/ZnS中空球为正极和商业活性炭为负极制备了不对称超级电容器(ASC)。这种 ASC在功率密度为478.9 kW kg?1 时,能量密度高达28.0 Wh kg?1。此外,这种MOF导向自牺牲模板法将会是可控制备带有不同组分中空硫化物有效的方法。  MOF导向制备多孔或中空金属氧化物/硫化物的合成方法不仅简单而且可控性强。此外,制备的材料具有新颖形貌。作为电极材料,多孔或中空材料不仅能够减小离子/电子的扩散距离,而且可以防止离子嵌入/脱出的过程中结构的坍塌,从而可以提高材料的电化学性能。
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