二维材料/MOF基复合材料的可控合成及其在超级电容器中的应用

作     者：刘春丽 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐强;王忠超

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二维材料 金属有机骨架 超级电容器 MXene 层状双金属氢氧化物 

摘      要：二维（2D）材料,例如层状双金属氢氧化物（LDH）和过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXene）等,在储能领域展现出巨大的潜力。为了得到具有高比电容、快速充放电特性和良好循环稳定性的电极材料,本论文系统的研究了 LDH和MXene材料及其与MOFs复合材料的制备方法和电化学性能。通过常见的表征方法对样品材料的物相和形貌进行了表征。并通过电极材料性能评估手段对复合电极的电化学性能进行了评估。结合形貌、结构和电化学性能,对复合材料的构效关系进行分析,从而为高性能电化学储能器件的设计和制备提供了理论和实验依据。主要研究内容如下:1.通过一锅共沉淀法合成了α-Co（OH）2/ZIF-67的2D片状复合材料。通过材料表征和电化学测试研究α-Co（OH）2/ZIF-67的组成成分、结构形貌和电化学性能。进一步地,以 Co2+为主要金属源,Mn2+/Ni2+/Zn2+为掺杂金属,制备了 α-CoM0.05（OH）x/ZIF-67（M=Mn/Ni/Zn）2D片状复合材料。得到的α-CoMn0.05（OH）x/ZIF-67电极在0.5 Ag-1时具有689 Fg-1的比电容,展现出比其他金属掺杂材料更高的比电容。此外,基于α-CoMn0.05（OH）x/ZIF-67的2D片状复合材料与活性炭（AC）构建的不对称超级电容器的能量密度在13500 W kg-1时能达到70.5 Wh kg-1。2.在 MXene 表面原位生长了 MOF 颗粒（Cu-BTC、Fe、Co-PBA、ZIF-8 和 ZIF-67）,探究了合成条件对MXene表面覆盖率、MOF颗粒形貌等的影响。通过材料表征和电化学测试研究了 MXene/MOF（MXene/Cu-BTC、MXene/Fe,Co-PBA、MXene/ZIF-8 和MXene/ZIF-67）的组成成分和结构形貌。进一步地,利用离子交换策略对MXene/ZIF-67进行化学刻蚀,将MXene表面的ZIF-67转变成空心ZIF-67/CoV2O6纳米笼,得到三维（3D）空心MXene/ZIF-67/CoV2O6复合材料。电化学测试结果表明MXene/ZIF-67/CoV2O6展现出比MXene/ZIF-67以及ZIF-67材料更高的比电容。此外,用MXene/ZIF-67/CoV2O6复合材料作正极与AC构建不对称超级电容器时,该器件的面积能量密度能达到36.27μWh cm-2,并且随着功率密度增大,能够保持在30.63μWh cm-2。3.通过对负载在MXene表面上的立方体ZIF-67进行刻蚀,制备了 MXene/ZIF-67/Co,Co-LDH复合材料。通过调整硝酸钴与ZIF-67的摩尔比,以乙醇和水为溶剂,制备了 ZIF-67 核壳（ZIF-67 CS）结构、ZIF-67 蛋黄壳（ZIF-67 YS）结构和 Co,Co-LDH空心结构。通过结构表征和电化学测试对上述材料的组成、形貌和电化学性能进行了研究。由于各组分的协同作用,复合后的电化学性能得到改善。在三电极体系中,MXene/Co,Co-LDH表现出最优异的电化学性能:电流密度为1 Ag-1时,MXene/Co,Co-LDH的比容量可以达到348.55 F g-1,并且在10Ag-1时维持在287.27F g-1。