碳化木/MOFs基系列复合电极的制备及电化学储能性能研究

作     者：李梦瑶 

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;范友华

授予年度：2024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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超级电容器 电极材料 金属离子 多孔木材 

摘      要：作为一种重要的能量存储器件,超级电容器具备高功率密度、长循环寿命和快速充放电速度等优势,并且对环境友好。目前,超级电容器是储能元件研究的热点之一,而电极材料则成为影响其储能性能的核心因素。经过改进,生物质碳材料具备可再生和易制备等优点。然而,在电极性能方面存在着电化学性能较低和活性位点较少的不足之处,因此,我们通过将碳化木材料与活性材料结合,并探索了两种不同思路来提升复合电极的电化学性能:一是在MOFs活性材料基础上进行金属元素掺杂,二是改善结构状态。借助这些方法,我们设计出了一种新型复合材料,该材料具有高比表面积和优异导电性。具体研究内容如下: （1）作为超级电容器的电极材料,碳化木材料（ACW）本身具备优异的力学性能,然而生物质衍生碳存在活性不足的问题。经过在碳材料上负载活性物质,以提高其电化学性能和循环稳定性的研究,我们进行了以下工作:在木材碳片管胞内表面上成功载入MOFs材料中的ZIF-8。并制备了 ZIF-8@ACW复合材料。该复合材料在6 M KOH电解液中以5 mA cm-2的电流密度下测试,展现出7.2 F cm-2的优异电化学性能。利用两片相同的ZIF-8@ACW电极材料,组装成全固态对称超级电容器。在5 mA cm-2的电流密度下,该超级电容器具有1.85 F cm-2面积比电容值,并且仅有3.267Ω的电荷传递阻抗（Rct）值。经过12,000次充放电循环后,该电容器保持率达到97.5%。 （2）针对提升超级电容器电极材料的电化学性能与循环稳定性的需求,本研究采用金属离子掺杂的方法优化了碳材料电化学性能。通过以钴（Co）为掺杂元素制备了Co-MOF@ACW复合材料,旨在增加活性位点并提高其储能性能。在5 mA cm-2的电流密度下,该复合材料达到8.2 F cm-2的比电容值,并构建出面积比电容值为2.3 F cm-2的对称超级电容器。此外,经过12,000次充放电循环后,该材料容量保持率高达98.1%,Rct值为3.11Ω。 （3）经过金属杂原子的掺杂和结构改性,可以提升MOFs材料的电化学性能。本研究在MOFs结构基础上进行结构改进,将其从立方结构升级为碳纳米笼结构。通过选择性地在ZIF-8表面负载Mo（CO）6,使高温处理后的MOFs不坍塌,并且进一步转化为碳纳米笼（CN）。这种策略不仅增加了复合材料的比表面积,还改善了电极表面与电解液之间的润湿性,有效提高了电容性能。通过引入金属原子掺杂和利用优化后的多孔碳材料结构,在5 mA cm-2和30 mA cm-2的电流密度下,MoC/CN@PCW复合电极分别达到了 9.7和9.4 F cm-2的面积比容量。制备成对称超级电容器时,在5 mA cm-2的电流密度下展现了 2.7 F cm-2的面积比电容,并且在经过12,000次充放电循环后仍保持了 98.5%电容保持率。 这些研究成果不仅展示了通过杂原子掺杂和碳纳米笼结构优化来提升超级电容器性能的潜力,而且也为超级电容器的商业应用提供了强有力的材料支持。通过这种方法制备的电极材料,由于其出色的电化学性能和循环稳定性,在超级电容器、电池及传感器设备等领域具有广泛的潜在应用前景。此外,该材料的成功开发还揭示了在能源存储技术中应用天然及可再生资源所蕴藏着巨大潜力。