双中心离子金属—有机物框架结构材料的制备及电化学应用

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超级电容器是一种高效储能器件,其独特的结构使之能将传统电容器与化学电池各自的储能优势兼收并蓄。它以循环稳定性好、功率密度高和倍率性能强的三大优点在电能存储领域占据一席之地,是有快速、大量、多次充放电需求之时的首选。正因如此,超级电容器未来有望成为在新能源发电峰谷期缓冲电能,使电能平稳入网的重要储能器件。金属—有机物框架结构材料(Metal-Organic Framework)简称MOF。MOF因其可控的形貌成为当今超级电容器领域研究的一大热点。理想的MOF由均一的颗粒组成,其高的比表面积以及存在的大量活性位点使其易表现出显著的赝电容行为,这利于容量的提升。但是,MOF的导电性较差,并且它构建的器件需要集流体以辅助收集电流。还原氧化石墨烯是另一种热门材料,它导电性优良且能形成自支撑结构,这正与MOF形成优势互补,因此,将两种材料相结合构建超级电容器电极不失为一种好方法。基于上述考虑,本研究即将MOF与还原氧化石墨烯结合成电极,并探究了用其制成高性能超级电容器的可行性。本论文主要内容如下:1、扼要地介绍了超级电容器的储能机理、电极材料分类及测试与表征手段;2、制备出了还原氧化石墨烯和以Co2+、Fe2+为中心离子的MOF,并将它们合成电极进行了测试。该电极的倍率性能和循环稳定性较好,于10 mA/cm2电流密度下能保持1 mA/cm2电流密度下72.6%的容量,且在该电流密度下充放电10000次后的容量为初次容量的106%。此外,本文还对该MOF的最优制备条件作了探究;3、进一步地,为提高电极的倍率性能,本文又于材料合成过程中选用Mn2+代替Fe2+制备出了以Mn2+、Co2+为中心离子的MOF,并亦将它与还原氧化石墨烯合成电极进行了测试。该电极同样表现出良好循环稳定性,且其倍率性能有明显提升,它于10 mA/cm2电流密度下能保持1 mA/cm2电流密度下89.4%的容量,且在该电流密度下充放电10000次后的容量为初次容量的104%。同时,本文也探究了该MOF的最优制备条件;4、总结了本文所制电极的电化学性能,并结合最新科研成果对其可改进方向作了大致预测。
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