MOFs基复合材料及其衍生物在超级电容器中的应用.pdfVIP

广西师范大学硕士学位论文

MOFs

超级电容器作为一种新型环保的能源储存装置，具有安全环保、功率密度高、

充放电速度快、循环使用寿命长等优点，近年来被广泛运用于新能源汽车、电力

系统、航天系统、电子产品等不同领域。电极材料作为超级电容器的核心组成部

分，其形貌、组成部分、物理和化学性质对整个器件的电化学性能都会产生影响。

金属有机框架(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)拥有比表面积大、高孔径率和

化学组分可调控等优点，是目前超级电容器电极材料的重点研究对象。多孔的、

高比表面积的、金属中心活性大的MOFs材料表现出较高的比电容和工作电压，

是可望获得较高能量密度的超级电容器电极材料之一。但是，目前MOFs材料直

接作为超级电容器电极材料仍然存在刚性强、导电性差、MOFs的化学组分易变

化、比表面积和可修饰的孔洞大小对储能机理的影响不明确等问题。因此，本文

通过选择含氮的有机配体，使用不同的金属离子，合成不同外观形貌的MOFs材

料，然后从中筛选出电化学性能较好的MOFs材料；随后为了有效提高整体MOFs

材料的导电性，将制得的MOFs与高导电性的氧化石墨烯复合，得到MOFs与氧

化石墨烯的复合电极材料；同时将性能较好的MOFs材料进行煅烧，通过牺牲模

板法制备MOFs基多孔碳材料。以扫描电子显微镜(SEM)对它们的微观结构进行

表征。以傅里叶红外变换光谱(FTIR)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光子能谱

(XPS)(TG)MOFs

仪和热重分析等测试手段，分别对制备的及其复合材料结构、

晶型和热稳定性等进行分析。并将其作为电极材料，采用循环伏安法(CV)、恒流

充放电(GCD)、交流阻抗(EIS)等电化学测试方法，来研究超级电容器电化学性能。

本论文的主要工作和结论如下：

13-NiCoMnCu

（）以吲哚甲酸作为含氮有机配体，将、、、作为四种金属

离子，通过一锅水热法合成出了四种不同结构的Ni-MOFs、Co-MOFs、Cu-MOFs

和Mn-MOFs电极材料。SEM结果表明，Ni-MOFs为半径较小的纳米花球状，

Co-MOFs为片状结构，Cu-MOFs为球状结构，Mn-MOFs为半径较大的纳米花球

I

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状。将这四种MOFs作为电极材料，在1.0MKOH中考察电化学行为，分别采

用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外变换光谱(FTIR)

等对四种MOFs材料进行定性分析，结果表明：拥有较小半径的纳米花球状Ni-

-1-1

MOFs具有最好的电容性能，在电流密度从0.2Ag升至2Ag区间，其比电容

-1-1-1-1-1

分别为1087.62Fg、944.91Fg、856.97Fg、846.17Fg和597.70Fg。最

后将其组装成Ni-MOFs//AC器件，在1Ag-1的电流密度下，在5000次循环后仍

有67.19%的容量保持率，表现出良好的电化学性能。

（2）将Ni-MOFs与不同含量氧化石墨烯(GO)复合，通过一锅水热法合成

Ni-MOFs@30GONi-MOFs@60GONi-MOFs@90GOSEM

、和三种复合材料。结

果表明，纳米花球状Ni-MOFs生长在石墨烯片上，其直径从几微米减小到了几

百纳米。而且随着石墨烯复合量的增加，Ni-MOFs@GO开始逐渐堆叠，并且在

Ni-MOFs@90GO上发生了团聚现象。将这三种MOFs复合材料