金属有机框架(MOFs)电极材料的理论研究

摘要

近年来，我国生态环境日趋恶化。未来减少对化石能源的需求与消费，推进节能减排，国家在十三五期间将加快发展新能源与可再生能源步伐来改善能源消费结构。但新能源和可再生能源存在不稳定性与间接性等问题，对电网造成巨大冲击。合理配置储能，将有利于平衡发电和用电，确保电网稳定运行，因此大力发展储能技术是实现新能源与可再生能源普及和应用的重要保障。作为重要的功率型储能技术，超级电容具有高功率密度，快充放电速率和长循环寿命的优点，受到了科学界和工业界的广泛关注。超级电容电极性能是影响超级电容综合特性提升的重要指标之一。金属有机框架(MOFs)材料因具有较高的高比表面积、较好的化学稳定性以及可控且丰富的多孔结构，因此成为当前备受瞩目的电化学材料之一。为此，本文选取金属有机框架电极材料为研究对象，借助密度泛函理论，针对不同MOFs材料进行理论计算和分析，并对其进行电化学性能进行检验验证，旨在为提升超级电容储能性能，丰富储能技术提供相应的理论依据和参考。 本文首先在大量阅读和参考文献的基础上，综述了超级电容器电极材料的研究进展，并重点论述了金属有机框架材料作为电极材料的特性。 接着，分别构建了不同MOFs材料的晶体模型，并利用密度泛函理论，采用从头计算法计算了MOFs材料的能带结构和电子态密度，详细研究了Ce/Ni掺杂后的MOFs 材料的能带结构与电子态密度的变化。结果表明，Ce/Ni 掺杂后的MOFs 材料具有完整、均匀、稳定的微观结构，为离子提供了良好的通道，有利于提升材料电化学储能能力。 最后，为验证上述理论计算结果的准确性，利用水热反应法制备MOFs材料，对制备完成的材料进行 SEM 和 XRD 表征测试与分析，并探究了不同反应条件对MOFs 材料电化学性能的影响。分析测试结果进一步证明上述模型计算结果的正确性，并确定了材料的最佳制备条件，为指导工业应用提供可行的参考。

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第1章 绪论

1.1 前言

1.2 超级电容器电极材料研究进展

1.2.1 碳基材料

1.2.2 金属氧化物

1.2.3 导电聚合物

1.3 金属有机框架材料

1.4 本文研究目的和内容

第2章 密度泛函理论

2.1 密度泛函理论简介

2.1.1 Thomas-Fermi理论

2.1.2 Hohenberg-Kohn定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.2 交换关联能泛函

2.3 赝势

2.4 密度泛函理论计算方法在MOFs材料研究中的应用

第3章 MOFs材料理论研究

3.1 MOFs理论计算

3.2 本章小结

第4章 MOFs材料制备及其电化学测试

4.1 MOFs材料的制备

4.1.1 试剂

4.1.2 材料的制备方法

4.2 MOFs材料的表征

4.2.1 SEM和EDS表征

4.2.2 XRD表征

4.3 MOFs材料的电化学测试

4.3.1 超级电容器电极的制备

4.3.2 MOFs材料的电化学测试

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

附录

致谢