MOFs为模板剂合成超级电容器电极材料及其性能研究

摘要

目前常用的电子储能装置有电池和超级电容器（SC）。与电池相比，SC在功率密度和使用寿命方面有诸多优势。基于这些优点，SC广泛应用于电子设备和车辆的后备电源等方面。从结构上看，电极是SC器件的核心部件，活性物质的性能对器件的性能起着重要的作用。因此，如何制备性能优异的电极材料活性物质引起了广泛关注。金属有机骨架（MOFs）分子独特的孔隙结构能够为电解质离子提供合适的孔道，使其在充放电的过程中快速通过，因此MOFs基材料可以实现较高的比电容，被广泛用作超级电容器电极材料使用。MOFs分子中存在大量的金属阳离子，且金属框架中可以引入其它金属离子源或者导电物质，因此MOFs分子非常适合用作金属或碳基纳米结构材料的前驱体，例如金属氧化物、多孔碳材料以及它们的复合材料。MOFs衍生材料普遍具有多孔的结构和较高的比表面积，已经显示出在超级电容器领域的的应用潜力。 本论文以MOFs为前驱体制备了若干复合材料，然后作为超级电容器活性物质测试了其电化学性能。通过XRD、拉曼光谱、N2等温脱吸附曲线、TEM等表征手段对样品的组成和结构进行了解析。使用电化学工作站测试其CV曲线。论文的主要创新点如下： （1）基于含有金属钨的杂多酸（W-POMs）和Cu-MOFs，采用溶剂热法合成POMs@MOFs前驱体，并以此为模板分两步煅烧成功制备了WO3@CuO复合材料，目标产物保留了前驱体POMs@MOFs丰富的孔隙结构。将制备的WO3@CuO材料通过涂抹法负载在泡沫镍表面，然后利用三电极系统探究了WO3@CuO电极的电化学性能，结果说明，添加WO3提高了氧化铜电极的性能，复合材料电极电容大大高于原始电容。 （2）通过水热反应，将Al-MOXs均匀地生长到碳纳米管（CNTs）表面，制备了Al-MOXs/CNTs复合物，并以此复合物作为模板，制备了Al2O3/C/CNTs复合物。Al2O3/C/CNTs具有多孔的结构，有效地保留了模板的介孔结构，比表面积远高于同类材料。将该复合材料制作成电极，在三电极体系下测试其电化学性能。结果发现，掺杂碳管有利于提高材料的比电容，Al2O3/C/CNTs复合材料的最大电容值在1Ag-1时可以达到600F g-1，循环充放电5000次后比电容仍旧为初始值的86%，循环稳定性良好，电化学性能的提升得益于CNTs的加入。 （3）以Al-MOXs为模板剂衍生了纳米多孔碳材料，并将纳米多孔碳材料负载到CNTs表面，制备了NPC/CNTs复合材料，然后将NPC/CNTs作为电极活性物质测试了电化学性能。结果表明，NPC/CNTs复合物电化学性能良好，0.5A g-1时最大比电容为211F g-1，远远高于掺杂CNTs之前的多孔碳材料。该复合材料表现出了典型的双电层电容特性，对于提高双电层电极材料的比电容有较大的意义。

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