MOFs基多级结构过渡金属硫化物微纳米材料的可控制备及超级电容性能研究

Supercapacitors are emerging as a class of promising energy storage devices due to the long lifespan, superior power density, and environmental benignity. As one of the most important electrode materials for supercapacitors, hierachical micro/nanostructured metal sulfide perform good electrochemical properties. In this project, hierachical micro/nanostructured metal sulfides will be prepared by the sulfidation of micro/nanocrystals of transition metal-formate metal organic frameworks with different topologies and morphologies. By controlled preparation of metal-formate metal organic frameworks micro- and nanocrystals and sulfidation process, the morphology, size, pore structure of the final transition metal sulfides will be manipulated. The relationship between metal-formate metal organic frameworks, sulfidation process and morphology of the metal sulfides will be clarified. The most likely mechanism of the conversion from the MOFs to the derived materials will be revealed. Supercapacitive properties of the final compound are to be characterized and investigated. The relationship between structure and electrochemical performance of the electrode materials will be discussed. A new way and optimal conditions of the fabrications of metal sulfide electrode materials performing high performance will be found. The results can provide experimental evidence and theoretical basis for the development of supercapacitors.

超级电容器因循环寿命长、功率密度高、污染小等优点成为电化学领域的研究热点。作为一类重要的超级电容器电极材料，具有多级结构的微纳米过渡金属硫化物材料性能优异。本项目拟以不同结构的过渡金属-甲酸骨架化合物微纳米晶为前驱体，经液相硫化合成多级结构微纳米金属硫化物，并研究其用作超级电容器电极材料的性能。通过有机胺的选择及液相合成条件的控制，制备具有不同形貌的金属-甲酸骨架化合物微纳米晶；通过硫化过程中反应条件的调节，实现金属硫化物的形貌、组成、微结构、孔结构的可控调节；通过系列电化学分析法评价其电化学性能。综合分析所得结果，明确前驱体、硫化过程与产物组成结构间的关系，阐明以金属-甲酸骨架化合物为前驱体制备多级结构微纳米金属硫化物的机理。揭示电极材料的组成结构对其电化学性能影响的规律，建立合成高性能超级电容器用金属硫化物电极材料的新方法，为超级电容器电极材料研究提供实验依据和理论基础。

超级电容器因循环寿命长、功率密度高、污染小等优点成为电化学领域的研究热点。作为一类重要的超级电容器电极材料，具有多级结构的微纳米过渡金属硫化物材料性能优异。本项目以高性能超级电容器用金属硫化物电极材料的设计开发为目标，以多孔金属-甲酸骨架化合物微纳米晶为前驱体，通过前驱物的控制合成以及硫化条件的调节，实现了不同形貌、微纳米结构、孔结构的金属氧化物、金属硫化物的可控制备，研究其作为超级电容器电极材料的性能。制备出了性能优异的超级电容器用钴、镍、锰、二元混合金属硫化物电极材料，揭示了电极材料的微观结构对其电化学性能影响的规律，建立了一种低成本的制备高性能金属硫化物超级电容器电极材料的简单新方法，取得了创新性的研究成果。基于研究结果，共发表24篇SCI收录学术论文；申请国家发明专利2项，其中1项专利授权。依托本项目，申请并获批1项国家自然科学基金项目。项目的实施和完成为高性能超级电容器电极材料的研究、开发与应用提供科学依据和理论基础。项目成果所涉及的关键技术，可作为今后超级电容器电极材料以及储能材料制备及应用的关键技术。此外，本研究所提出的合成方法简单易行，具有可操作性，为MOF衍生功能材料的设计和制备提供了一个新思路，该方法也可用于合成其它MOF衍生材料，包括金属硒化物、金属磷化物等。所合成特殊结构的微纳米多孔金属氧化物、金属硫化物不仅可用于超级电容器电极材料，还可拓展到其它领域如CO催化氧化、锂离子电池材料、电催化水分解制氢等应用中，具有广泛的应用价值。