微纳结构镍和铬基金属—有机框架及其复合材料的电化学性能研究

作     者：吴屹伟 

作者单位：闽南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭鸿旭

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080202[工学-机械电子工程] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：金属-有机框架 微纳结构复合材料 超级电容器 电催化分解水 电化学传感器 重金属离子 

摘      要：金属有机框架是通过金属离子/金属团簇与有机配体通过自组装配位形成的一类具有周期网络结构的新型有机-无机杂化晶态化合物。金属有机框架具有大的比表面积、高孔隙率以及丰富的活性位点等优点,使其在催化、传感、分离和气体储存等领域被广泛应用。除此之外,丰富的金属离子和多样的有机配体之间的组合,可以合成出具有优秀氧化还原性的MOFs。MOFs由于其固有导电性差的缺点在电化学领域的实际应用受到限制。将MOFs与具有优异功能的各种材料进行复合,不但可以改变其导电性差的缺点而且可以大大提升其电化学性能。本文以MOFs在电化学传感器电极修饰材料、超级电容器和电催化电极材料分解水应用为出发点,合成了三种基于均苯三甲酸为配体的金属有机框架材料,对其进行结构表征并详细研究了其电化学性能。(1)用水热法成功在g-CN上负载了MIL-100(Cr)材料制备g-CN@MIL-100(Cr)复合电极材料,并研究了其在电化学传感检测Pb、Cu和Hg的应用。研究结果表明:其修饰为碳糊电极后可制备成可检测重金属离子的电化学传感器,在浓度范围5-100μM对Pb、Cu和Hg具有良好的检测线性,检出限分别为0.41、1.02和0.77μM。并且其检测抗干扰性和稳定性较好。(2)通过水热法成功合成了异配体组装的MOF(Ni-bipy-btc)微球(bipy=4,4’联吡啶),并开展了其作为超级电容器电极材料和电化学传感检测重金属离子的应用研究。研究结果表明:在3 M KOH电解液中,当电流密度为4 A/g时,MOF(Ni-bipy-btc)的比电容达到220.4 F/g,并且具有非常稳定的库伦效率。MOF(Ni-bipy-btc)/CPE(碳糊电极)对混合重金属离子检测有良好的选择性,其在0-8μM范围内对Pb、Cu和Hg具有良好的检测线性,其检出限分别为0.184,0.036和0.033μM,同时还具有良好的抗干扰性。(3)通过一步水热法成功合成Ni基金属有机框架复合材料Ag@Ni(btc)微球,并开展在超级电容器电极材料、电化学传感器电极修饰材料和电催化产氢产氧的性能进行研究。在超级电容器电极修饰材料研究结果表明:Ag@Ni(btc)在3 M KOH中以4 A/g的电流密度进行恒电流充放电时比电容可以达到489.4 F/g,并且在2000圈的恒电流充放电中表现出稳定的高库伦效率;电化学传感器检测重金属研究结果表明:电化学传感器Ag@Ni(btc)/CPE在0.01-6μM的检测范围内对Pb、Cu和Hg具有良好的检测线性,检测限分别为0.013,0.031,0.11μM;该材料电催化分解水研究结果表明:Ag@Ni(btc)具有良好的OER和HER性能,过电位分别为330 mV和172 mV,塔菲斜率分别为151和182 mV/dec,同时在进行24 h的稳定性测试后Ag@Ni(btc)还展现出出色的OER稳定性。