基于MOFs前驱体的煅烧策略及其衍生碳基材料在超级电容方面的研究

来源 :西北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:XUE19880204
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金属-有机骨架化合物(MOFs)作为一种新型的多孔材料,由于其高度有序的结构、极高的比表面积和可调节的孔径等优点,近几年受到广大材料科学家们的关注。考虑到MOFs中的金属离子可以视为金属源以及有机组分可以作为碳源,因此在惰性环境下,通过煅烧热解方法能够将MOFs转换为高度分散且具有独特形貌以及高孔隙率的碳基材料,在光学、磁学、电催化以及超级电容等方面具有广泛的应用前景。然而,MOFs的种类繁多且结构变幻莫测,怎样合理选择MOFs前驱体来构筑预期碳基材料是目前研究的关键性一环。此外,探索出普适性的可控煅烧策略能够为MOFs衍生碳基材料的制备提供指导性方针。基于以上观点,本论文着重考虑了MOFs中金属离子、抗衡阴离子以及MOFs网格大小对MOFs衍生碳基材料特性的影响,其具体研究结果如下:一、通过试管扩散法成功合成了具有爆炸性ClO4-离子的Cu-MOF。晶体结构分析表明,Cu-MOF为基于平面正方形Cu(II)节点的三重互穿金刚石网络。此外网络中展现了包裹ClO4-离子的1D六边形孔道。我们通过煅烧Cu-MOF得到了Cu@C复合物,并进一步通过酸化处理得到多级花状的氮掺杂多孔碳材料(NPCs)。系统研究表明,1D原始孔道、ClO4-离子和后合成Cu颗粒均对Cu-MOF衍生碳材料具有造孔效应,尤其ClO4-离子能够通过爆炸效应在碳基底产生丰富的孔道,这是我们首次发现的爆炸性造孔效应。有意义的是,NPC-900展现了最好的多孔特性、最大的比表面积以及最高的比电容值为149 F g-1(电流密度0.5 A g-1)。二、利用三种苯二甲酸(邻苯二甲酸、间苯二甲酸和对苯二甲酸)为主配体,1,4-双咪唑苯(bib)为辅助配体,合成了三种组分相似的混配网络Co-MOFs 1-3。依次通过煅烧和原位气相硫化法分别制备了一系列的Co@CNTs和CoS2@CNTs复合物材料。研究发现,钴单质在高温煅烧条件下对碳材料具有催化石墨化效应,而气相硫化过程得到的CoS2@CNTs复合物能够很好地保持Co@CNTs复合物的形貌和石墨化程度。结合拓扑分析和孔特性测试数据,我们发现bdc2-配体决定了Co-MOFs的网格大小,并能进一步有效地调控MOFs衍生碳基复合物的孔径大小。我们系统研究了CoS2@CNTs复合物的电化学性能,其中(p)-CoS2@CNT最为出色,是一种潜在的超级电容电极材料。
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