摘要
超级电容器(SCs)凭借其高功率密度、长循环寿命和快速充放电等特点成为近年来绿色、高效储能装置中的研究热点。但是，较低的能量密度限制了其实际应用。根据能量密度公式E=0.5CV2，提高电极材料的比电容和电压窗口是改善能量密度问题的两大有效策略。超级电容器的核心部分是电极材料，材料的性能直接决定了器件的性能。因此，人们常常通过调整材料的固有特性，来改善超级电容器的性能。 金属有机框架(MOFs)是由金属离子和有机配体自组装而成的一类多孔结晶材料。多价态的金属离子节点可以提供丰富的活性位点，独特的孔隙结构可以促进电解质离子传输。凭借上述优势，MOFs展现出良好的应用前景，已成为储能领域的研究热点。但是，传统MOFs导电性和稳定性较差，限制了其实际应用。为此，我们尝试通过制备MOFs衍生物或复合材料，来弥补这些缺陷，并希望藉此进一步提高超级电容器的能量密度。基于这些考虑，本文设计制备了一系列MOFs基纳米复合材料，并将其用于SCs，取得了以下研究成果： 1、将Ni掺杂的ZIF-67原位生长在MXene的表面，进而通过碱处理合成了一种性能稳定的三明治结构的电极材料MXene/NiCoZDH。其中，MXene作为电子转移框架，增强了材料的导电性；Ni(OH)2和Co(OH)2纳米颗粒丰富的活性位点促进了电子转移。当电流密度为1Ag-1时，MXene/NiCoZDH比电容为877Fg-1，经过30000圈充放电后比电容仅仅损耗9.1%。同时，以其为阳极材料，组装的MXene/NiCoZDH//AC不对称超级电容器(ASC)在功率密度为748Wkg-1时，能量密度高达34Whkg-1，而且表现出较好的循环稳定性，经过30000圈循环后，电容保持率高达93.3%。 2、通过简单的水热法制备了核桃壳衍生碳(WS)、Ni-MOF和SPANI的复合材料。在硫化聚苯胺SPANI的连接下，在大比表面积的WS孔道内外原位生长Ni-MOF。WS作为沉积基底和电子转移框架，提高了复合材料的导电性；SAPNI作为电子转移支架，起到了连接WS和Ni-MOF的作用，同时防止了2DNi-MOF的团聚；杂原子S的存在提高了材料的亲水性，促进了离子转移；聚苯胺链的硫化反应形成了一种交联网络结构，提高了复合材料的稳定性。正是由于WS、Ni-MOF和SPANI的协同效应，制得的WS@Ni-MOF/SPANI显示了优异的电化学性能。当电流密度为1Ag-1时，WS@Ni-MOF/SPANI比电容为1722Fg-1。组装的WS@Ni-MOF/SPANI//ACASC在功率密度为824Wkg-1时，能量密度为34.79Whkg-1，并且经过20000圈循环后，电容仅仅下降了10.5%。 3、利用溶液刻蚀法合成了蜂窝状p-MXene，然后通过表面原位生长Ni-MOF，制备了p-MXene/Ni-MOF复合材料。为了进一步提高材料的导电性和电容性能，在引入高理论比容量的CuS的同时，将Ni-MOF转化为Ni3S4，得到了具有更加丰富的氧化还原活性中心的三明治结构复合材料p-MXene@Ni3S4/CuS，制备的p-MXene@Ni3S4/CuS显示了优异的电化学性能，当电流密度为1Ag-1时，比电容达到1917Fg-1。此外，组装的ASC功率密度和能量密度分别能达到775.02Wkg-1和87.62Whkg-1，经过30000圈充放电后，ASC初始比电容保持在92.4%。 4、以蔗糖水热法合成的碳微球(CMs)作为导电基底，原位生长活性位点丰富的Ni-MOF，进而通过碱处理，得到复合材料CMs@Ni(OH)2，接着进行硒化处理，制备了Ni(OH)2和NiSe纳米颗粒包裹的碳微球(CMs@Ni(OH)2/NiSe)。制备的复合材料显示了高导电性、高比电容、高稳定性和高倍率性能。当电流密度为1Ag-1时，比电容高达2106Fg-1，电流密度增加十倍时，比电容仅仅下降16%。组装的CMs@Ni(OH)2/NiSe//ACASC在功率密度为756.8Wkg-1时，能量密度为70.84Whkg-1，经过40000圈循环后，ASC的比电容几乎没有损失,表现出良好的应用前景。
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