基于有机金属框架多孔中空结构的构筑及电化学性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源与环境问题已经日益成为制约全人类社会可持续发展的突出问题^{[1, 2]}。我国是一个资源贫乏、人口众多的发展中国家，解决好经济与社会的快速发展与能量消耗及其所带来的环境污染问题之间存在的矛盾尤其重要。据统计，我国原油对外依赖程度已经达到 55.2%，位于世界首位，这一个问题已严重危及我国的能源安全。面临严峻的形势，一是要如何充分利用现有的资源，实现高效合理使用；二是要大力发展新能源，如太阳能、风能、地热能、核能等，拓宽能量产生的渠道。但无论采取哪种解决方式，都需要创立先进的能源体系，以实现合理的能量获取、储存、传输、转化和利用，并提升能源效率。

创建一个有效并廉价的能源存储系统是解决能源问题的方案之一，并已经吸引了世界范围内许多研究人员的注意。锂离子电池能源体系现在已经被广泛的应用与人们的生活中，如手机、手提电脑、电动汽车等^[3]；但是，它们高昂的制造成本、有限并且全球分布不均锂的矿产资源势必会在可见的未来影响工业生产^[4]。作为一种替代锂离子电池能源体系的钠离子电池已经获得了广泛关注，因为相对于锂，钠的价格低廉、储量大、分布广泛，比锂离子电池更加适用于大型储能应用^{[5, 6]}。因此我们急需开发廉价、稳定的钠离子电池材料来满足日益增长的能源需求。

最近的钠电负极材料的研究绝大多数集中于金属、碳基无机化合物，相比之下，很少的工作在研究钠离子电池的有机电极^[7]。相对于传统储钠材料，有机电极有诸多优势，包括不依赖稀有原材料，从自然界可以获得无限可利用资源、安全性高等^[8]。更重要的是，有机化物的结构灵活，相对于无机化合物很少有僵化的结构，这可以为比锂离子（76 pm）大很多的钠离子（102 pm）提供了更大的空间、更好的流动性^[9],甚至在电化学反应中，锂或者钠等在充电过程中起补偿作用的离子可以被代替（polar reaction）^[10]。最近，xin-bo zhang等^[11]研究发现带有羰基团的多环芳香烃的有机化合物在作为钠离子电池负极材料有着良好的电化学性能。它在140圈以后还能保持可逆的250.5 ma h g^-1而且库伦效率为100%，即使在高电流密度下如100和200 ma h g^-1 也可以在100圈循环之后还可以保持可逆的144.6和117 ma h g^-1。在倍率测试中，电极在分别在0.05 , 0.1,0.2 ,0.5 ,1和2 a g^-1电流密度测试时初始可逆容量为315.4, 209.9,176.4 ,135.6 ,99.8和67.7 ma h g^-1，当电流密度从大电流回到0.05 ma h g^-1时，放电容量可以恢复到283.6 ma h g^-1。这个性能测试结果超过了许多已经报道过的碳基钠离子电池负极材料。这项研究部分展示了有机材料应用于钠离子电池上的广阔前景。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

2.11拟采用简单的原材料设计并合成铜的有机金属框架化合物（cumof）,利用x射线粉末衍射（xrd)、扫描电镜对材料的结构和性能进行表征，并测试其作为钠离子电池负极材料的电化学性能，包括循环充放电、倍率等。通过这些反馈信息对实验方法进一步改进，从而制备出满足要求的材料。

2.2技术方案

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解实验所需药品和设备，确定方案，撰写任务书，完成开题报告。

第3-4周：用湿化学法制备cumof，并熟悉电池装配、电化学测试、材料分析等方法。

第5-8周：通过xrd、sem，并对样品进行结构、形貌表征和电化学性能测试，并合理分析测试数据。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] hu l, chen q. hollow/porous nanostructures derived from nanoscale metal–organic frameworks towards high performance anodes for lithium-ion batteries [j]. nanoscale, 2014, 6(3): 1236-57.

[2] gao j, lowe m a, kiya y, et al. effects of liquid electrolytes on the charge–discharge performance of rechargeable lithium/sulfur batteries: electrochemical and in-situ x-ray absorption spectroscopic studies [j]. the journal of physical chemistry c, 2011, 115(50): 25132-7.

[3] zhao l, zhao j, hu y s, et al. disodium terephthalate (na2c8h4o4) as high performance anode material for low‐cost room‐temperature sodium‐ion battery [j]. advanced energy materials, 2012, 2(8): 962-5.