金屬有機骨架衍生氮摻雜碳材料的制備及其電化學性能研究

李紅霞, 吳 杰, 張慶堂, 王坤杰

(蘭州理工大學 石油化工學院,甘肅 蘭州 730050)

金屬有機骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是有機配體和金屬中心通過配位鍵組裝形成的具有孔道或孔穴結構的晶態功能材料[1-3]。與傳統材料不同,MOFs具有較大的比表面積、可調的物理化學性質、容易進行功能化,是目前已知的晶體材料中密度最低的物質。近年來,針對MOFs材料的結構設計與合成以及其在氣體儲存、吸附和分離、催化等領域的應用一直都是人們研究的熱點[4-5]。然而MOFs的電導率低,穩定性較差,在儲能裝置中的應用受到極大限制[6-8]。以MOFs為前驅體/模板,制備功能性納米多孔碳材料,在能源和環境相關領域有很大的應用潛力[9]。2008年,Xu等[10]將另一碳源浸漬在MOF的孔中,MOFs既可以用作自犧牲模板,也可以當作碳源,多孔炭網絡的形成和MOFs的分解同時發生,在惰性氣氛下熱解,成功制備了電化學性能優異的納米多孔炭材料。由于MOFs中存在許多有機配體,因此可以將MOFs作為前驅體以及模板,直接碳化,制備形貌可控、比表面積高以及雜原子摻雜納米多孔炭材料。目前MOFs衍生納米多孔炭成為了一種新型的碳材料,它將前驅體MOFs的規則形貌與高比表面積和大孔體積結合在一起,使其成為能量存儲應用的良好候選者[11-13]。

本文合成了十二面體規則形貌的ZIF-8,并以ZIF-8作為前驅體和碳源,利用KOH活化手段,通過考察活化劑用量,制備出一系列納米多孔炭材料,研究了材料的比表面積、孔結構、表面官能團等因素對材料電容行為的影響,篩選出最佳活化條件,制備高電容性能納米多孔炭材料。……