MOF基過渡金屬氧化物納米材料的制備與儲(chǔ)能特性研究.pdf

1、目前，鋰離子電池負(fù)極材料通常為石墨，其理論比容量僅372 mAh g-1，不能滿足日益發(fā)展的高儲(chǔ)能電源的需求。與石墨負(fù)極相比，過渡金屬氧化物具有理論容量高、環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為電極材料的研究熱點(diǎn)。然而，過渡金屬氧化物作為電極材料存在導(dǎo)電性差、循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)易坍塌等問題?；诖?，本論文以多孔結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物納米材料為主要研究對象，聚焦其制備參數(shù)的協(xié)同調(diào)控與儲(chǔ)能性能的大幅度提高，以多孔過渡金屬氧化物納米材料的設(shè)計(jì)制備、結(jié)構(gòu)表征和

2、儲(chǔ)能性能為研究主線，深入開展分子層次化合物設(shè)計(jì)、新化合物制備、結(jié)構(gòu)性能表征的研究。在建立系列多孔過渡金屬氧化物制備方法的基礎(chǔ)上，對高性能儲(chǔ)能電極材料的組成-結(jié)構(gòu)-性能三者之間的關(guān)系形成一些本質(zhì)的理論認(rèn)識，揭示多孔過渡金屬氧化物材料的組成、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的關(guān)系，為研發(fā)新一代高性能電極材料提供理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)采用溶劑熱技術(shù)，調(diào)控吡嗪用量，制得孿生半球狀和花狀兩種形貌的鈷-有機(jī)金屬框架化合物(Co-MOFs)。

3、發(fā)展熱分解技術(shù)，以 Co-MOFs為模板前驅(qū)體，制備與原形貌一致的多孔Co3O4納米材料。材料的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，多孔Co3O4納米材料均有直接約為23-45 nm的小顆粒組裝而成，孿生半球狀和花狀多孔Co3O4納米材料的比表面積分別為22.6、33.3 m2 g-1。儲(chǔ)能結(jié)果表明，孿生球狀的Co3O4多孔材料在100mA g-1的電流密度下，首次放電比容量和充電比容量分別為1325.5、1003.5 mA h g-1，花狀多孔Co3O

4、4納米材料在100mA g-1的電流密度下，首次放電比容量和充電比容量分別為1249.8、935.5mA h g-1；循環(huán)90次后，其可逆比容量分別為470.3和529.2 mA hg-1，仍高于石墨的理論容量。將孿生半球狀和花狀多孔Co3O4納米材料用作超級電容器時(shí)，在電流密度為0.5A g-1的首次放電比容量分別為96.6F g-1、103.7F g-1，循環(huán)1000圈后，分別衰減到93.5F g-1、101.7F g-1，比容量保

5、持率分別為96.7％、98.1%。因此，此種MOF基多孔Co3O4納米材料表現(xiàn)出了良好的儲(chǔ)存性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)采用溶劑熱技術(shù)，制備雙金屬有機(jī)框架化合物[CoZn(BTC)(NO3)](2H2O)(0.5DMF)，通過熱分解技術(shù)，得到多孔ZnO/Co3O4多面體納米材料，該多孔多面體結(jié)構(gòu)約為100μm，由20 nm的顆粒組裝而成，比表面積高達(dá)37.2m2g-1。儲(chǔ)鋰性能結(jié)果表明，首次充放電比容量分別為1092.6m

6、A h g-1、612mA h g-1。超級電容器研究結(jié)果表明，在電流密度為0.5A g-1下，ZnO/Co3O4電極材料的首次放電比電容為106.7F g-1，循環(huán)1000圈后，僅降低了3.7%，仍高達(dá)102.7F g-1。因此，多孔ZnO/Co3O4多面體納米材料作為超級電容器電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。
　　(3)采用溶劑熱法，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，可控制備Zn-Ni基有機(jī)框架化合物微球即[ZnNi(BTC)(NO3)(1.6

7、H2O)](0.4DMF)，煅燒后得到由25-50 nm納米顆粒組裝的多孔ZnO/NiO微球。儲(chǔ)能性能顯示，作為鋰離子負(fù)極材料，首次充放電分別為1245.3 mA h g-1、827.8mA h g-1。作為超級電容器電極材料，在0.5A g-1的電流密度下，比容量為172.9 F g-1；此外，多孔ZnO/NiO微球展現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，在1 A g-1的電流密度下，初始比容量為143.7F g-1，循環(huán)2000圈后，其比容量仍高達(dá)1