基于MOFs合成Co-空心/核壳结构@石墨烯复合材料、表征及性能研究

摘要

本文以金属有机框架化合物（MOFs）和沸石咪唑酯骨架结构（ZIFs）作为热解前驱体，通过溶剂热-热解方法合成了金属单质/金属氧化物-碳壳-石墨烯（GO）纳米复合碳材料；其次通过溶剂热法制备出被GO包裹的球形ZIFs结构，空气中热解形成多层、双层的纳米空心球结构。将所制备的复合碳材料分别用于催化硼氢化钠（NaBH4）水解制氢和锂离子电池（LIBs）负极材料，均具有较好的性能。
　　首先，以多种形状Co-MOFs作为热解前驱体，合成负载在还原氧化石墨烯（rGO）上的核-多层壳复合碳材料。Co-MOFs中的Co离子由配体对苯二甲酸（PTA）产生的碳包裹，在热解过程中，合成单组份Co@CG和Co@N-CG的纳米复合材料。200 ℃空气中热处理后，Co NPs表面上的部分Co（0）被部分氧化成CoOx，形成包裹在Co核表面上的第一层壳，同时碳壳变成第二层壳得到Co@CoOx@CG和Co@CoOx@N-CG。在不加入GO的情况下Co@CoOx@C和Co@CoOxN-C通过相同的方法合成。Co@CoOx@XX四种材料经过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、透射电镜（TEM）等表征进行分析后确定是多组分的核-壳结构的纳米复合材料，在催化NaBH4产氢方面表现出了优异的性能。其中Co@CoOx@CG在30 ℃下达到5560 mL?min?1?gCo?1超高的产氢速率。通过对其MH表征分析复合材料的铁磁性的特征，使其通过磁力传输自搅拌催化产氢，比在有磁子的条件下的催化活性要高，单次催化NaBH4产氢完后即可恢复吸附能力，重复5次后催化性能并没有明显降低。这种装配-热解-氧化的合成步骤为制备新的碳包裹纳米复合材料提供一个新的思路。
　　其次，通过加入PVP使ZIF-12变成球形，ZIFs热解后合成了由碳掺杂的多层四氧化三钴（Co3O4）纳米空心球碳复合材料（CHS@C），GO的加入使得在热解过程中热量传递加快，形成双层的结构，而GO会转化为碳，包裹在碳掺杂的双层Co3O4的纳米中空球状结构表面（CHS@CG）。CHS@CG和CHS@CG两者中间掺杂的碳都来源于配体苯并咪唑，改善了其导电性和结构稳定性， CHS@CG最外层的碳能够保护其在充放电的过程中过度膨胀而造成结构的破坏。对上述纳米空心球结构进行了XRD、Raman、XPS、EA和TEM等各项表征以及锂离子电池性能的测试。CHS@CG复合材料在0.2 C循环400次放电比容量仍可达到831 mAhg1，在恒流充放电过程中，库仑效率几乎达到100％，表现出较好的可逆循环性能。该合成方法对合成碳掺杂的纳米空心球结构用于锂离子电池的新型负极电极材料提供了一个新思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 金属有机骨架化合物（MOFs）

1.3 石墨烯

1.4 论文研究意义及内容

第二章 实验仪器及方法

2.1 概述

2.2 仪器药品

2.3 材料的表征技术

2.4 催化产氢和锂离子电池方面的应用

第三章 MOF热解得到Co@CoOx@rGO产氢催化材料

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 制备过程

3.4 结构与形貌表征

3.5 性能测试

3.6 小结

第四章 ZIF热解得到空心四氧化三钴/碳复合材料及电化学性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 制备过程

4.4 结构与形貌表征

4.5 CHS@C和CHS@CG复合材料锂离子电池阳极性能测试

4.6 小结

总结

参考文献

致谢

个人简历

研究生期间发表及完成的论文