ZIF-8基碳材料的制备及其储锂性能的研究

摘要

随着能源资源的消耗与环境污染问题的加剧，锂离子电池成为当今研究热点。金属有机框架材料是一种具有多孔结构的新型晶体材料，具有大比表面积、大孔隙率、良好稳定性等特点，基于这些特点使其在储能、催化及传感等领域有着潜在的应用。本论文以ZIF-8为研究对象，优化合成了十二面体和立方体结构的ZIF-8前驱体，探讨了煅烧温度以及石墨烯引入对其电化学性能的影响，并对其储锂机制进行探讨，得到如下结论:
　　(1)优化合成了十二面体和立方体结构的ZIF-8。十二面体ZIF-8基碳材料的电化学性能远远高于立方体结构ZIF-8基碳材料。在2000mA g-1大电流充放电时，十二面体ZIF-8基碳材料放电比容量为250mAh g-1，是同样放电制度下立方体ZIF-8基碳材料放电比容量的2倍。经100次100mA g-1下充放电循环，十二面体ZIF-8基碳材料的放电比容量(423mAh g-1)和容量保持率(99.6％)均高于立方体ZIF-8基碳材料。
　　(2)调控煅烧温度合成了三种ZIF-8基碳材料，分别记为N-C-800、N-C-950和N-C-1100样品，对比发现呈现特殊的向内收缩的凹面十二面体结构，且掺杂氮以吡咯氮为主的N-C-950样品具有最优的电化学性能，在500mA g-1电流密度下，放电比容量可达921mAh g-1，在2000mA g-1电流密度下循环200次后放电比容量为578mAh g-1，容量保持率为98.5％。原位TEM分析结果表明N-C-950样品的凹面结构在提升电化学性能方面起关键的作用。在凹面处，含有更多的氮，缺陷程度更大，能量存储位点变多，有利于锂离子更好的传输。
　　(3)引入200mg氧化石墨烯GO合成的样品，煅烧前、后均呈现大小均一的十二面体颗粒均匀分布在二维石墨烯片上的结构。氮掺杂碳/还原氧化石墨烯复合材料C-N/rGO(200mg)样品在100mA g-1电流密度下放电比容量为1010mAh g-1;在2000mA g-1大电流充放电时，放电比容量能够达到441mAh g-1，远远高于氮掺杂碳(C-N)材料做负极时的电化学性能。这归因于C-N/rGO(200mg)复合材料中石墨烯片与十二面体结构ZIF-8基碳颗粒共同构建的三明治特殊结构。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1锂离子电池简介

1．2锂离子电池负极材料

1．2．1碳材料

1．2．2金属氧化物材料

1．2．3合金材料

1．2．4过渡金属氮化物材料

1．3．金属有机框架化合物

1．3．1金属有机骨架材料简介

1．3．2金属有机骨架材料种类

1．3．3金属有机骨架材料特点

1．3．4金属有机骨架材料在锂离子电池的应用

1．4石墨烯简介

1．4．1石墨烯结构特点

1．4．2石墨烯应用

1．5选题目的和研究内容

2实验方法

2．1 实验试剂与实验仪器

2．1．1实验相关试剂

2．1．2实验所用仪器

2．2材料结构表征方法

2．2．2 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．2．3比表面积测试仪(BET)

2．2．4拉曼光谱分析法(Raman)

2．2．5热重分析仪(TGA)

2．2．6扫描电子显微镜(SEM)

2．3．1电极材料的制备过程

2．3．2半电池装置的组装顺序

2．4材料电学性能表征方法

2．4．2电化学阻抗测试(EIS)

2．4．3倍率性能测试

2．4．4循环性能测试

3 ZIF-8材料可控合成及性能比较研究

3．1．引言

3．2．实验方法

3．3．十二面体ZIF-8基材料的合成工艺优化及性能研究

3．3．1．反应温度对十二面体ZIF-8基材料性能的影响

3．3．2．反应时间对十二面体ZIF-8基材料性能影响

3．3．3．反应浓度对十二面体ZIF-8基材料性能影响

3．4．立方体ZIF-8基材料的合成工艺优化及性能研究

3．4．1．混合速度对立方体ZIF-8基材料性能影响

3．4．2．反应时间对立方体ZIF-8基材料性能的影响

3．4．3．溶剂水量对立方体ZIF-8基材料性能的影响

3．5．十二面体与立方体ZIF-8基碳材料相关性能表征比较

3．6．本章小结

4氮种类的调控及凹面十二面体在电化学方面的曲面效应

4．1．引言

4．2．实验方法

4．3．ZIF-8基碳材料微观性能分析

4．4．ZIF-8基碳材料宏观电化学性能分析

4．5．曲面效应储能机制

4．4．本章小结

5石墨烯／十二面体ZIF-8基碳复合材料的制备及电化学性能研究

5．1．引言

5．2．实验方法

5．3．C-N／rGO碳复合材料的制备及微观表征

5．4．C-N／rGO碳复合材料的电学性能表征

5．5．C-N／rGO储能机制

5．6．本章小结

6结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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