基于MOFs前驱体的煅烧策略及其衍生碳基材料在超级电容方面的研究

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1、分类号：O64学校代码：10697密级：公开学号：201520658硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION基于MOFs前驱体的煅烧策略及其衍生碳基材料在超级电容方面的研究学科名称：物理化学作者：邹康宇指导老师:李佐习副教授西北大学学位评定委员会二○一八年ITheResearchofCalcinationStrategyofMOFPrecursorsandMOF-derivedCarbon-basedMaterialsinSupercapacitorsAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinp

2、artialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinPhysicalChemistryinxxxByZouKang-YuSupervisor:LiZuo-XiAssociateProfessorJune2018摘要摘要金属-有机骨架化合物(MOFs)作为一种新型的多孔材料，由于其高度有序的结构、极高的比表面积和可调节的孔径等优点，近几年受到广大材料科学家们的关注。考虑到MOFs中的金属离子可以视为金属源以及有机组分可以作为碳源，因此在惰性环境下，通过煅烧热解方法能够将MOFs转换为高

3、度分散且具有独特形貌以及高孔隙率的碳基材料，在光学、磁学、电催化以及超级电容等方面具有广泛的应用前景。然而，MOFs的种类繁多且结构变幻莫测，怎样合理选择MOFs前驱体来构筑预期碳基材料是目前研究的关键性一环。此外，探索出普适性的可控煅烧策略能够为MOFs衍生碳基材料的制备提供指导性方针。基于以上观点，本论文着重考虑了MOFs中金属离子、抗衡阴离子以及MOFs网格大小对MOFs衍生碳基材料特性的影响，其具体研究结果如下：-一、通过试管扩散法成功合成了具有爆炸性ClO4离子的Cu-MOF。晶体结构分析表明，Cu-MOF为基于平面正方形Cu(II

4、)节点的三重互穿金刚石网络。此外网络中展现-了包裹ClO4离子的1D六边形孔道。我们通过煅烧Cu-MOF得到了Cu@C复合物，并进一步通过酸化处理得到多级花状的氮掺杂多孔碳材料(NPCs)。系统研究表明，1D原--始孔道、ClO4离子和后合成Cu颗粒均对Cu-MOF衍生碳材料具有造孔效应，尤其ClO4离子能够通过爆炸效应在碳基底产生丰富的孔道，这是我们首次发现的爆炸性造孔效应。有意义的是，NPC-900展现了最好的多孔特性、最大的比表面积以及最高的比电容-1-1值为149Fg(电流密度0.5Ag)。二、利用三种苯二甲酸(邻苯二甲酸、间苯二甲酸

5、和对苯二甲酸)为主配体，1,4-双咪唑苯(bib)为辅助配体，合成了三种组分相似的混配网络Co-MOFs1-3。依次通过煅烧和原位气相硫化法分别制备了一系列的Co@CNTs和CoS2@CNTs复合物材料。研究发现，钴单质在高温煅烧条件下对碳材料具有催化石墨化效应，而气相硫化过程得到的CoS2@CNTs复合物能够很好地保持Co@CNTs复合物的形貌和石墨化程度。结合拓扑2-分析和孔特性测试数据，我们发现bdc配体决定了Co-MOFs的网格大小，并能进一步有效地调控MOFs衍生碳基复合物的孔径大小。我们系统研究了CoS2@CNTs复合物的电化学性

6、能，其中(p)-CoS2@CNT最为出色，是一种潜在的超级电容电极材料。关键词：MOFs前驱体，煅烧策略，调控因素，多孔碳基材料，超级电容器I西北大学硕士论文IIABSTRACTABSTRACTMetal-organicframeworks(MOFs),asanewclassofporousmaterials,havebeenfocusedbymanymaterialscientists,whichattributestoplentifuladvantages(suchashighlyorderedarchitectures,largespe

7、cificsurfacesandtunableporesizes).Moreover,themetalionandorganicingredientofMOFscanberegardedasmetalandcarbonresources,respectively.Thus,theuniquemorphology,highlydispersedandlargeporositycarbon-basedmaterialshavebeensuccessfullyprepared,throughthecalcination-thermolysisofM

8、OFsininsertatmosphere.Furthermore,MOF-derivedcarbon-basedmaterialspossessconsidera