铜钴双金属MOF衍生材料的调控制备与电化学储能研究

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超级电容器是近年来被广泛关注的一种高效新型绿色电源,它具有高能量密度、循环性能稳定以及绿色安全无污染等优点。沸石咪唑酯骨架材料(ZIF)属于金属有机框架材料(MOF)的一种,因具有可控的结构及高比表面积,常被应用于实验室的超级电容器电极材料研究。但是由于比容量低、倍率性能差等缺点,使其在电极材料的研究与应用中受到限制。为提高电极材料的电化学性能,本文以ZIF材料为基础进行了以下探究:(1)以金属有机骨架材料为功能模板,采用两步法合成了嵌入氮掺杂碳层的铜钴硒化物(Cu Co)Se/NC。得益于Co Se基体中铜离子的掺杂和MOF衍生碳层的形成,优化后的(Cu Co)Se/NC电极在1 A/g时具有较高的比容量,并且倍率和循环性能表现优异。基于此材料组成的超级电容器器件在经过5000圈循环后容量基本没发生衰减。该工作为合理设计和构建过渡金属硒化物基电极提供了新的思路。(2)为进一步提高铜钴双金属MOF衍生材料的电化学性能,通过调控MOF的结构与形貌,本工作在碳布上合理设计合成了铜离子掺杂CoP纳米片阵列的方法。通过在MOF衍生的CoP基体中引入适量的铜离子,使此材料具有更丰富孔隙率,而且可以进一步提高电极的导电性能。经探究得到了铜钴最优比例为0.5 mmol-2.5 mmol的Cu:CoP-0.5电极材料,此电极材料在8 A/g的电流密度下,它的比容量达到113.3 m Ah/g,是CoP电极材料的3.3倍,并且具有更好的循环稳定性。(3)基于最优比例的Cu:CoP-0.5电极材料组装得到了Cu:CoP-0.5//AC(活性炭)超级电容器,此器件在功率密度为552.7 W/kg时,能量密度为31.5 Wh/kg。本工作表明了Cu:CoP纳米片阵列在实际应用中的潜力,并为开发高性能储能器件的新型电极提供了新的途径。
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