鮑哲南最新Nature Energy：堅韌導電的高體積和高面積容量二維MOFs材料

【引言】

隨著社會不斷進步發展，對安全可靠、高性能的儲能器件的需求逐步增加。電化學電容器，即超級電容器以其長久的循環壽命、快速的充放電能力在儲能領域占據重要地位。但是，能量密度低是超級電容器的一大弊端。此外，制備高面積容量的亞毫米級別厚度的電極在實際應用中顯得十分重要。

MOFs（metal?organic frameworks，金屬有機框架）是一種有著高比表面積的多孔材料，在分子層面能用于設計無機和有機框架材料，在高容量超級電容器領域中有著廣泛的應用前景。然而大部分MOFs導電性太差，嚴重影響了儲能器件的性能。由此導電MOFs應運而生，它由配位聚合物，如強金屬配位基軌道雜化形成的半導體和導體組成。2D和3D的MOFs與1D的相比，擁有更多的孔，因而獲得更多的氧化還原活性位點。但是，框架的本征能量密度太低，限制了氧化還原活性位點的理論能量密度提升，從而降低了體積容量和質量容量。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的鮑哲南教授課題組聯合斯德哥爾摩大學和阿貢國家實驗室在著名Nature子刊Nature Energy上發表題為” Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance”的文章。該文章報道了一種設計具有氧化還原活性的導電MOF材料用于超級電容器方法，這種MOF的容量由贗電容貢獻，而不是電雙層電荷。為了增加氧化還原活性中心，選取了超小的HAB(hexaaminobenzene)連接體構筑導電MOF。HAB連接體與d8和d9直角-平面配位幾何的金屬種類一致，因而產生了亞納米孔。這一特性產生了高體積和大面積電容，能用于亞毫米厚度的電化學電容器。

【圖文導讀】

圖一：HAB MOFs的合成和結構表征。

a)Cu-/Ni-HAB MOFs的合成示意圖；

b)Cu-HAB的PXRD實驗和模擬曲線；

c)Cu-HAB薄膜的2D GIXD圖樣；

d)Cu-HAB的HR-TEM圖；

e)圖d中藍色區域的HR-TEM圖；

f)從HR-TEM計算的對稱附加和平均晶格圖像；

g)實驗和h)模擬的電子衍射圖樣；

i)Cu-HAB的空間分布模型。

圖二： HAB MOFs的制備、吸收圖譜和導電性。

a)SEM圖；

b)冷壓成型制備Ni-HAB；

c)UV-vis-NIR吸收光譜；

d)溫度-電導關系圖。

圖三：電化學性能表征。

a)/b)CV圖；

c)EIS圖；

d)掃速與重量電容、體積電容的關系；

e)Ni-HAB電極不同載量下的面積倍率性能；

f)10A g-1電流密度充放電的電容保持量。

圖四：Ni-HAB體積和面積容量與其他材料的比較。

【小結】

制備了一種基于HAB配位基的高導電二維MOFs，該材料具有良好化學穩定性。選取的小HAB配位基不僅利于合成高密度的框架，并且得到了超高體積電容性能（760F cm^-3）的同時，也獲得了穩定的氧化還原行為和400F g^-1的質量電容。由于HAB MOF顆粒尺寸較小，盡管電極的厚度增加至360μm， 面積電容的值也達到20F cm^-2。并且，12000次循環后電容保持量仍有90%。

文獻鏈接：Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance(Nature Energy: 10.1038/s41560-017-0044-5)

本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料牛整理編輯。

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