金屬有機(jī)框架材料（MOFs）及其復(fù)合物的電容性能研究
發(fā)布時(shí)間：2022-02-12 16:05
超級電容器擁有出色的功率密度、能夠快速充放電,并且具有比其他化學(xué)電池更長的壽命而受到大家廣泛的關(guān)注。特別是柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展,激發(fā)了人們對靈活、輕巧和環(huán)保的儲能設(shè)備的探索。柔性固態(tài)超級電容器具有功率密度高,循環(huán)壽命長,安全高效,質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來發(fā)展的重要選擇。金屬有機(jī)框架材料（MOFs）也稱為多孔配位聚合物,它是一類非常有前途的結(jié)晶微孔材料。具有具有超高的孔隙率、極大的內(nèi)表面積、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成可調(diào)、包含有豐富的活性位點(diǎn)等特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)材料,MOFs作為超級電容器的電極材料展現(xiàn)出更加巨大的潛力,有望進(jìn)一步提高超級電容器的儲能性能。但是MOFs材料也有一些致命的缺點(diǎn),例如自身導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性較差,這阻礙了其潛能的充分發(fā)揮以及在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。本文通過構(gòu)建MOFs和其他一些導(dǎo)電性材料形成復(fù)合物來改善MOFs材料導(dǎo)電性差的問題。一是將導(dǎo)電性能優(yōu)異的石墨烯材料與Co/Mn-MOF通過一鍋溶劑熱共合成方法得到不同比例的Co/Mn-RGO復(fù)合物,考察不同比例石墨烯材料對復(fù)合物電容性能的影響。研究表明Co/Mn-RGO-35電極在掃速5 mV·s-1時(shí)面...
【文章來源】：山西大學(xué)山西省
【文章頁數(shù)】：61 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
超級電容器與其他儲能裝置的性能指標(biāo)比較[4]
第一章緒論3電層存儲電荷，發(fā)生的是物理過程，存儲電荷的多少與電極材料和電解液之間的接觸面積有關(guān)，因此往往通過增大電極材料的的表面積來提高比容量和能量密度；而PCs中不僅包括雙電層存儲電荷，還包括法拉第氧化還原反應(yīng)存儲電荷，因而具有較高的比容量和能量密度，但是在電荷的傳遞過程中，法拉第反應(yīng)相比于非法拉第反應(yīng)的界面?zhèn)鬟f過程慢，因此PCs的功率密度要比EDLCs低。另外氧化還原反應(yīng)在一定程度上不可逆，加上離子的嵌入脫出造成電極材料體積膨脹，PCs的循環(huán)壽命也比較差[13]。最后，混合電容器（HSCs）（圖1.2D）由雙電層電極和贗電容或電池型電極組成，結(jié)合了這兩種系統(tǒng)的性能，并在某些情況下導(dǎo)致了中間性能[15-17]。圖1.2(A)靜電電容器(B)電雙層電容器(C)贗電容器(D)混合電容器的儲能機(jī)理圖[11]Figure1.2Energystoragemechanismof(A)electrostaticcapacitor,(B)electricdouble-layercapacitor,(C)pseudocapacitor,and(D)hybrid-capacitor[11]1.1.3柔性固態(tài)超級電容器（SSCs）對下一代便攜式和柔性電子產(chǎn)品（如卷起顯示器、光伏電池和可穿戴設(shè)備）的功率和能源需求的增加，激發(fā)了人們對靈活、輕巧和環(huán)保的儲能設(shè)備的探索[18,19]，并逐漸向微型化、功能化、柔性化的方向發(fā)展，這就要求這些儲能器件滿足體積小，質(zhì)量輕，操作簡單，安全舒適，可彎曲折疊等特點(diǎn)[20,21]。SCs彌合了電容器和電池的優(yōu)勢在新能源儲能技術(shù)當(dāng)中備受矚目，但是SCs中液體電解質(zhì)存在易揮發(fā)，易腐蝕，
第一章緒論5的缺點(diǎn)，阻礙了它們?nèi)繚摿Φ陌l(fā)揮。MOF與金屬納米顆粒、石墨烯、碳納米管等納米材料復(fù)合形成的MOF復(fù)合物及其衍生制備的多孔碳、金屬化合物等材料，能夠繼承純MOF高比表面積、高孔隙率的優(yōu)點(diǎn)，而且展現(xiàn)出了優(yōu)于純MOFs材料的導(dǎo)電性、光電化學(xué)特性和穩(wěn)定性等特性，這使得這些MOFs材料在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.2MOF復(fù)合物在許多情況下，由于原始MOFs電導(dǎo)率差、功能有限等固有缺陷，無法滿足實(shí)際能源存儲系統(tǒng)理想的性能要求。為了近一步改善MOFs的導(dǎo)電性能或引入新的功能，有研究提出將MOFs與功能材料結(jié)合形成MOF復(fù)合物的策略[55,56]，不僅可以保持原有MOFs的優(yōu)勢，同時(shí)還可以克服MOFs的不足。MOFs已經(jīng)和多種功能材料包括金屬納米顆粒（MNPs）、碳納米管(CNT)、石墨烯(rGO)、多孔載體、導(dǎo)電基底、生物分子等活性材料合成MOF復(fù)合物，用于提高能源轉(zhuǎn)化與存儲方面的應(yīng)用（圖1.3）[57,58]。MOF復(fù)合物應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化與存儲系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)勢在于復(fù)合物中的不同組分可以有效地引入多功能性和協(xié)同效應(yīng)，可以獲得良好的性能表現(xiàn)和高穩(wěn)定性。MOF復(fù)合物的合成策略可分為兩類：（1）利用MOF包覆不同客體材料如金屬納米顆粒、量子點(diǎn)和金屬復(fù)合物分子等；（2）利用碳納米管、石墨烯以及多孔碳等載體負(fù)載MOF。圖1.3MOF復(fù)合物的合成策略[58]Figure1.3syntheticstrategyofMOFcomposites[58]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文編號：3622020
【文章來源】：山西大學(xué)山西省
【文章頁數(shù)】：61 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
超級電容器與其他儲能裝置的性能指標(biāo)比較[4]
第一章緒論3電層存儲電荷，發(fā)生的是物理過程，存儲電荷的多少與電極材料和電解液之間的接觸面積有關(guān)，因此往往通過增大電極材料的的表面積來提高比容量和能量密度；而PCs中不僅包括雙電層存儲電荷，還包括法拉第氧化還原反應(yīng)存儲電荷，因而具有較高的比容量和能量密度，但是在電荷的傳遞過程中，法拉第反應(yīng)相比于非法拉第反應(yīng)的界面?zhèn)鬟f過程慢，因此PCs的功率密度要比EDLCs低。另外氧化還原反應(yīng)在一定程度上不可逆，加上離子的嵌入脫出造成電極材料體積膨脹，PCs的循環(huán)壽命也比較差[13]。最后，混合電容器（HSCs）（圖1.2D）由雙電層電極和贗電容或電池型電極組成，結(jié)合了這兩種系統(tǒng)的性能，并在某些情況下導(dǎo)致了中間性能[15-17]。圖1.2(A)靜電電容器(B)電雙層電容器(C)贗電容器(D)混合電容器的儲能機(jī)理圖[11]Figure1.2Energystoragemechanismof(A)electrostaticcapacitor,(B)electricdouble-layercapacitor,(C)pseudocapacitor,and(D)hybrid-capacitor[11]1.1.3柔性固態(tài)超級電容器（SSCs）對下一代便攜式和柔性電子產(chǎn)品（如卷起顯示器、光伏電池和可穿戴設(shè)備）的功率和能源需求的增加，激發(fā)了人們對靈活、輕巧和環(huán)保的儲能設(shè)備的探索[18,19]，并逐漸向微型化、功能化、柔性化的方向發(fā)展，這就要求這些儲能器件滿足體積小，質(zhì)量輕，操作簡單，安全舒適，可彎曲折疊等特點(diǎn)[20,21]。SCs彌合了電容器和電池的優(yōu)勢在新能源儲能技術(shù)當(dāng)中備受矚目，但是SCs中液體電解質(zhì)存在易揮發(fā)，易腐蝕，
第一章緒論5的缺點(diǎn)，阻礙了它們?nèi)繚摿Φ陌l(fā)揮。MOF與金屬納米顆粒、石墨烯、碳納米管等納米材料復(fù)合形成的MOF復(fù)合物及其衍生制備的多孔碳、金屬化合物等材料，能夠繼承純MOF高比表面積、高孔隙率的優(yōu)點(diǎn)，而且展現(xiàn)出了優(yōu)于純MOFs材料的導(dǎo)電性、光電化學(xué)特性和穩(wěn)定性等特性，這使得這些MOFs材料在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.2MOF復(fù)合物在許多情況下，由于原始MOFs電導(dǎo)率差、功能有限等固有缺陷，無法滿足實(shí)際能源存儲系統(tǒng)理想的性能要求。為了近一步改善MOFs的導(dǎo)電性能或引入新的功能，有研究提出將MOFs與功能材料結(jié)合形成MOF復(fù)合物的策略[55,56]，不僅可以保持原有MOFs的優(yōu)勢，同時(shí)還可以克服MOFs的不足。MOFs已經(jīng)和多種功能材料包括金屬納米顆粒（MNPs）、碳納米管(CNT)、石墨烯(rGO)、多孔載體、導(dǎo)電基底、生物分子等活性材料合成MOF復(fù)合物，用于提高能源轉(zhuǎn)化與存儲方面的應(yīng)用（圖1.3）[57,58]。MOF復(fù)合物應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化與存儲系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)勢在于復(fù)合物中的不同組分可以有效地引入多功能性和協(xié)同效應(yīng)，可以獲得良好的性能表現(xiàn)和高穩(wěn)定性。MOF復(fù)合物的合成策略可分為兩類：（1）利用MOF包覆不同客體材料如金屬納米顆粒、量子點(diǎn)和金屬復(fù)合物分子等；（2）利用碳納米管、石墨烯以及多孔碳等載體負(fù)載MOF。圖1.3MOF復(fù)合物的合成策略[58]Figure1.3syntheticstrategyofMOFcomposites[58]
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文編號：3622020
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