绿色溶剂体系构筑多级孔结构钴、铁MOF及其储能性能的研究

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有机金属框架(MOF)是由金属离子和配体通过配位键链接而组装的结晶性无机-有机杂化网状结构,由于其高度有序的框架所展现的永久的多孔性,引起了人们广泛的关注。MOF材料具有很高的内部表面积和低的晶体密度,在许多的领域有着很大的应用潜力,例如分子分离和传感器。然而大部分的MOF被归结为微孔型(<2 nm),低效率的质量传输使得MOF的研究领域局限在小分子的分离和转变,因此,扩展 MOF材料的孔尺寸到介孔范围(2-50 nm)能够拓展其受限的应用领域,尤其是解决了MOF材料应用在能源储存和转换方面的障碍。  超临界二氧化碳(SC CO2)和离子液体(ILs)是非常规的绿色溶剂,常被应用于新材料的合成过程中。SC CO2具有低粘度,低毒性,低成本和高扩散性的性质。ILs可以溶解无机和有机化合物,其化学稳定性和热稳定性都很高,而且可以通过设计其结构来满足不同的需求状态。考虑到ILs的可调性,在超临界二氧化碳的协助下,制备多级孔结构以及协助MOF材料可控自组装是一个重要的研究领域。本文的工作是以SC CO2的辅助扩孔作用和MOF材料的电化学性能作为切入点,主要进行了以下几个方面的研究:  (1)SC CO2辅助制备具有多级孔结构的钴MOF(Co-MOF)及其电化学性能的研究  在IL/SC CO2/表面活性剂乳浊化体系中,通过原位聚合制备了具有微孔-介孔-大孔多级孔结构的Co-MOF。通过 TEM和SEM图片可以发现微孔-介孔Co-MOF球形基本单元相互连接在一起进一步构建了大孔,通过氮气吸附脱附和红外光谱表征我们分析了所制备 Co-MOF材料的孔结构和化学结构,并且进一步探讨了其形成的机理。Co-MOF材料的球形基本单元的尺寸和上面含有的孔径可以通过二氧化碳的压力进行控制。多级孔结构的Co-MOF材料与Co的氧化物相比表现出了优异的比电容值和好的循环稳定性,这是由于 Co-MOF材料自身的多孔性能和构筑的永久性的框架所贡献的。这也使得MOF材料在电化学器件中展现了很大的潜在应用。  (2)单金属MOF和双金属MOF材料的制备及其相应的电化学性能的探讨在SC CO2辅助下,多孔的铁MOF(Fe-MOF)和二元杂化双金属钴、铁MOF(Co/Fe-MOF)材料均在适宜的IL/SC CO2/表面活性剂乳化体系中成功地制备出来。与单金属的Co-MOF和Fe-MOF相比,Co/Fe-MOF的比电容值相应地提高了1.4倍和4倍,展现了各组分之间的协同作用,进一步说明SC CO2是一个制备多级孔结构材料的有效方法。
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