基于ZnO@ZIF-8衍生物的电致变色超级电容器性能研究

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随着信息化时代的到来,智能化、低能耗的多功能电子设备成为研究热点。电致变色技术能以低能耗实现对光的高效控制,在智能隐私、航天热控以及军事伪装等领域有着重要应用。将电致变色技术与超级电容器联用,可使储能设备以交互模式运行,通过设备颜色和图案的变化直观、动态地监测其剩余容量。其中,电极作为电致变色超级电容器的核心,其材料组成和微观结构影响着器件的性能。多孔结构可促进电极反应过程中的离子/电子迁移和脱嵌,然而,传统电极材料的多孔结构简单,储能效果和循环稳定性不理想。本文以一种类沸石咪唑酯骨架包覆氧化锌(ZnO@ZIF-8)薄膜为前驱体,制备了高性能的层状镍/钴双金属氢氧化物包覆氧化锌(ZnO@Ni/Co-LDH)和二氧化钛(Ti O2)衍生物薄膜电极并组装成电致变色超级电容器,分别测试了两种薄膜和器件的电致变色和储能性能。主要研究内容如下:(1)实验以氟掺氧化锡(FTO)透明导电玻璃为基底,采用电化学沉积法制备了ZnO纳米棒薄膜,通过电化学蚀刻得到ZnO纳米管薄膜。将其作为模板,调控加入的2-甲基咪唑(Hmim)浓度,通过水热法得到不同形貌和结晶度的ZnO@ZIF-8薄膜。结果表明,随着Hmim浓度的增加,ZnO@ZIF-8的结晶度提高,形貌逐渐呈现完整的核壳结构。当浓度为76.12 mmol·L-1时,ZnO@ZIF-8薄膜的结晶度最高,呈现完整的核壳异质结构。(2)实验以ZnO@ZIF-8薄膜为前驱体,通过水热法制备了Ni2+和Co2+摩尔比不同的五种ZnO@Ni/Co-LDH薄膜,并对其进行电致变色和储能性能测试。结果表明,当加入的Ni2+和Co2+摩尔数相同时,制得的ZnO@Ni/Co-LDH薄膜具有最大的光学调制范围(56%@550 nm),最高的比容量(507.2 C·g-1,0.1 m A·cm-2)和很短的着色/褪色响应时间(0.74 s/2.72 s)。将其组装为电致变色超级电容器双功能器件,能实现从浅黄色到深褐色的颜色可逆转变,并且有着高的光学调制范围(63%@660 nm)和优异的储能性能(7.7μW·h·cm-2,375μW·cm-2)。此外,将光伏太阳能板与器件联用,可实现太阳能的收集、储存和光学调节。(3)实验以ZnO@ZIF-8薄膜为前驱体,通过浸渍法和高温煅烧法相结合制备了Ti O2薄膜,探究了Ti O2薄膜的电致变色和储能性能。结果表明,在碳酸丙烯酯-高氯酸锂(PC-Li Cl O4)电解液中,Ti O2薄膜的电化学反应过程受半无限扩散控制。同时,Ti O2薄膜表现出色的双功能性能,其面电容达到25.3 m C·cm-2,800 nm处的光学调制范围达到31.9%。对Ti O2薄膜进行1500圈循环稳定性测试发现,薄膜的光学调制范围提升至46.6%。这是由于Li+长时间的脱嵌造孔,丰富了Ti O2的孔道结构,为Li+的脱嵌提供了更多的活性位点,从而提高了Ti O2的电致变色性能。
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