MOF/杨木衍生碳基复合材料的结构调控及电化学性能研究

作     者：熊琬凝 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗勇锋

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超级电容器 电极材料 金属有机框架 木质衍生碳 表面改性 

摘      要：可再生能源的指数级增长,以及各行业电气化的推进,极大提升了对高效可靠储能系统的需求。电池和超级电容器等储能设备的开发已成为解决可再生能源间歇性问题不可或缺的一部分,而且也为便携式电子设备提供了持续稳定的动力支持。追求具有延长循环寿命、提高能量和功率密度的高性能电极材料已成为储能研究领域的中心焦点。在广泛应用于储能领域研究中,碳基材料凭借其的电化学性能、经济实惠以及环境友好特质脱颖而出。本文旨在研究金属有机框架(MOF)复合杨木衍生碳复合电极的结构调控来达到能量密度的提升。本文通过调控木材管胞内壁生长的MOF,并对复合材料进行碳化、氧化活化、蚀刻改性处理得到高性能过渡金属氧化物掺杂碳复合电极材料,展现出优异表现。同时利用多种表征方法以及电化学测试来获取优化改良方案。 1)通过两次离子交换在杨木木片上原位均匀生长ZIF-67纳米颗粒,后通过氩气中700°C碳化和空气中230°C氧化获得衍生复合电极材料。得到的Co3O4@CW-230电极在5mAcm-2的电流密度下,其最高面积比电容达到5.27 F cm-2,电阻Rct仅为2.61 Ω。以Co3O4@CW-230组装的对称超级电容器,在电流密度为5mAcm-2时,其最高面积比电容达到2.35F cm-2,对应的能量密度为0.32 mWh cm-2和5.33 mWh cm-3。经过10000充放电次循环后,电热保持率依旧达到95%。 2)选择Co2+与Zn2+摩尔比为2:1的杂化ZIF,利用衍生的Zn-Co3O4/C-230颗粒修饰木材衍生碳的内外表面结构,大大提高了碳化木材的比表面积,提高了电极的电化学和机械稳定性。空气中的氧化步骤提高了碳复合电极的结晶度,且获得具有更好储能效果的过渡金属氧化物。基于以上优点,合成的Zn-Co3O4@CW-230电极在电流密度为5.0mAcm-2(电极厚度为0.6mm)时的面积比电容可达 7.83 F cm-2。组装后的 Zn-Co3O4@CW-230//Zn-Co3O4@CW-230 SC 在5.0 mA cm-2时的面比电容高达2.61 Fcm-2,由于其Co3O4的高容量贡献、独特的半嵌入式结构和导电性,其能量密度高达0.36 mWh cm-2(6.0 mWh cm-3)。 3)通过碳化、氧化和HNO3蚀刻合成了 Ni/NiO/CoO-CW-4。在5 mA cm-2时表现出16.76 F cm-2的比电容值。这种电极材料提供了广泛的离子吸附表面,并表现出优异的润湿性,促进了充放电过程中的快速电子/离子转移。组装的Ni/NiO/CoO-CW-4//Ni/NiO/CoO-CW-4 固态对称超级电容器在 2.5 mW cm-2或31.25 mWcm-3时表现出0.67 mWhcm-2和8.38 mWhcm-3的令人印象深刻的能量密度,在器件水平上超过了一些具有代表性的改性木质碳电极的体积能量密度近2至7倍。对称超级电容器表现出显著的稳定性,即使在经历10000次循环后也能保持96.21%的电容保持率。Ni/NiO/CoO-CW-4的合成方法简单且经济高效,具有优异的储能性能,优于其它改性木碳电极,在电化学储能应用中广泛前景。 本文制备了基于木材整体结构的基体,与杂化MOF复合衍生的金属氧化物掺杂的碳复合电极。以简单的制备和改性方式实现了 MOF与木碳材料的有效复合,得到高能量密度,强循环稳定性的电极材料。这些研究为探索简单且具有成本效益的碳基表面改性策略优化电极的整体性能,推进具有高能量密度和长循环寿命的电极材料提供了理论基础和应用潜力。