钴金属有机框架衍生纳米阵列复合材料及电化学储能研究

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金属有机框架(MOFs)具有尺寸可调的多孔结构和纳米通道,作为高性能电极材料用于超级电容器可以在充-放电过程中加快离子传输。柔性超级电容器具有轻小、便携、超薄等特点,顺应了人们对可穿戴和便携式电子产品的需求。本论文利用MOF的结构优势和碳布的柔性特征,通过在碳布表面原位生长含钴MOFs(ZIF-67)为模板,制备形貌规整的钴化合物纳米阵列电极。设计了两个方案并系统研究了各自的电化学储能性能。论文主要内容如下:第一个方案,首先在碳布表面水热生长氧化钴(CoO)纳米线。然后在纳米线表面原位生长ZIF-67;最后借助水热合成CC@CoO@S-Co3O4核-鞘纳米阵列。CC@CoO@S-Co3O4在三电极体系中的面积比电容可达1013 mF cm-2(1 mA cm-2),当电流密度扩大到为20 mA cm-2时,面积比电容仍可保留67.8%。与ZIF-67衍生的多孔碳组装的柔性二电极,展现出了良好的耐弯曲性能,2 mA cm-2时的体积比电容高达1.99 F cm-3。在21.3mW cm-3功率密度下其能量密度达0.71 mWh cm-3。第二个方案研究通过纳米阵列的界面工程来调控其电化学性能。首先,利用多巴胺对碳布表面进行预处理得到亲水性碳布。接着在其表面原位生长片层ZIF-67,在氮气中煅烧制备相互交联Co3O4。最后,利用硼氢化钠进行化学还原,得到氧空位的Co3O4纳米薄膜。该柔性电极在电流密度为0.5 mA cm-2时具有459.64 mF cm-2的面积比电容,2mA cm-2时循环15000次之后比电容仍能保持原来的73.9%左右。总的来说,碳布上原位生长的Co-MOF衍生金属氧化物电极具有规整的阵列结构、优异的耐弯曲性能和良好的电化学储能性能,这表明我们的方案将促进高性能柔性储能器件的进一步发展。
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