MnO2-MOFs衍生复合材料的制备及其电化学性能研究

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超级电容器因其功率密度高、循环寿命长且能够快速充放电等特性而被广泛的研究和应用。而其性能主要取决于它们的电极的效率和活性,因此,开发具有良好结构的电极材料是非常必要的,它能充分利用材料各组分来进行有效的氧化还原过程。金属有机骨架(MOFs)衍生的碳由于其可设计的孔结构、高比表面积、相对良好的电导率和较高的机械稳定性而成为电极材料理想选择。本文以ZIF-8为前驱体制备中空氮掺杂碳材料,结合MnO2和碳材料的各自优势,设计并制备了一系列MnO2/碳复合电极材料,对其结构和电化学性能进行研究。主要研究内容如下:(1)以ZIF-8为前驱体,单宁酸作为蚀刻剂,采用化学刻蚀和热解法制备了空心氮掺杂碳(HNC)。通过调节初始的ZIF-8的形貌结构制得了菱形十二面体中空氮掺杂碳(RDHNC)和立方体中空氮掺杂碳(CHNC)。所合成的碳材料具有明显的空腔结构并且很大程度上保持了初始ZIF-8的形貌特征。所制得的碳材料具有大的表面积、宽的孔径分布以及氮杂原子的掺杂,这为制备复合材料提供了基础。(2)以空心立方体碳CHNC作为MnO2外壳的支撑模板和导电材料,制备了复合材料CHNC@MnO2。测试发现复合材料的电化学性能要优于单一组分的MnO2和CHNC,独特的双壳层结构也使得其比实心氮掺杂碳CNC@MnO2拥有更好的电化学性能;调变MnO2晶型发现无定型MnO2(a-MnO2)复合材料的电容特性要优于δ-MnO2型;通过讨论调变反应物的相对比例对材料电化学性能的影响。所得样品CHNC@a-MnO2-1.4(中空立方体,质量比KMnO4:CHNC=1.4,无定型二氧化锰)用作超级电容器电极材料时表现出优异的电化学性能。在1M Na2SO4电解液中,当电流密度为0.5A g-1时,复合材料的比电容高达199 F g-1。且在电流密度为5 A g-1下,1000次的恒流充放电之后,其比电容保持率为82%。(3)以具有空心菱形十二面体结构的RDHNC为基底制备了中空氮掺杂碳RDHNC@MnO2复合材料。通过调变材料的空心结构,MnO2晶型和复合材料反应物的比例发现RDHNC@a-MnO2-2.1表现出最佳的电化学性能。在1M Na2SO4电解液中,当电流密度为0.5 A g-1时,复合材料RDHNC@a-MnO2-2.1的最高比电容达247.9 F g-1。且在电流密度为5A g-1下,2000次的恒流充放电之后,其比电容保持率为82.7%。RDHNC@MnO2独特的中空菱形十二面体结构具有更大比表面积,表现出比CHNC@MnO2更好的电容特性,能够成为未来超级电容器电极材料的有力候选者。
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