阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef組AEM：導電MOF應用于微型電容器

【引言】

能量存儲系統微型化對于便攜式電子器件，可植入式微型器件，傳感器以及物聯網等的快速發展必不可少。其中，電化學微電容器是一種極具潛力的微型能源存儲器件。近幾年來，利用CO₂激光剝離石墨烯（laser-scribed graphene, LSG）技術被證明是一種能夠直接制備微電容器電極的有效方法。該方法能夠有效地在多種基底上（如PI膜等）實現電極圖案的直接“書寫”，避免使用復雜且耗時的光刻等工藝。然而，這類方法直接制備的LSG的比電容尚且較低。由于使用CO₂激光將sp³-C向sp²-C轉化的過程中會產生大量的孔道和表面缺陷，因此通過構筑豐富的表面官能團可以使LSG作為一種理想的導電平臺以實現和其它高電容性材料之間的耦合。金屬有機骨架（MOFs）作為一類多孔道高比表面的輕質材料作為電極材料極具潛質，其分枝導電MOF更是具有優于傳統MOF的特性。近幾年來，二維導電MOF（2D MOF）得益于有效的層層間的π–π堆積使其擁有較多的π–π 和π–d 軌道重疊，因此展現出了優異的導電性能。2D MOF作為電極材料也因此被應用于電化學電容器中。然而，基于2D MOF的電極材料尚未應用于微電容器，原因可能有以下幾種：1.?大多數MOF都是粉體形式被制備出來，在器件制備中通常使用的熱蒸鍍，濺射以及刻蝕等過程會造成MOF的損壞。2.?導電MOF的選擇性（需只與導電集流體結合）生長是很大的挑戰。3.?絕大多數2D MOF并不能同時作為正極和負極工作（即對稱型），使得制備工藝更加復雜。

【成果簡介】

近日，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的Husam?N. Alshareef 教授和Mohamed Eddaoudi教授合作，制備一種基于導電MOF的微電容器。作者首先通過CO₂激光在PI膜上制備出?LSG電極，然后通過對LSG表面改性并用作三維導電基底，接著用一步低溫溶劑熱法將導電2D MOF Ni-CAT納米棒選擇性地沉積在LSG上，形成LSG/Ni-CAT MOF復合電極材料。該電極材料可同時作為電容器的正極和負極，且展現出了遠高于LSG的電化學性能（比電容，能量密度等）。同時，該復合電極也展現出了較好的倍率性能和循環穩定性。該成果以題為“Conductive Metal–Organic Frameworks Selectively Grown on Laser-Scribed Graphene for Electrochemical Microsupercapacitors”發表在Adv. Energy?Mater.上，論文第一作者為KAUST博士后吳昊。

【圖文導讀】

圖1.?LSG/Ni-CAT MOF復合電極材料制備流程及Ni-CAT結構示意圖。

(a)-(c) 電極制備過程;?(d)-(g) 2D層狀Ni-CAT結構示意圖。

圖2.?形貌及組分表征。

(a), (b) 分別為LSG和?LSG/Ni-CAT掃描電鏡圖; (c) LSG/Ni-CAT透射電鏡圖;?(d), (e) 分別為電子束垂直和平行于一維孔道的高倍透射電鏡圖; (f) XRD圖譜; (g) FTIR 圖譜。

圖3.?水系電解液中電化學性能對比。

(a) LSG/Ni-CAT作為正負極的CV圖; (b) LSG/Ni-CAT不同工作電壓區間CV圖; (c) LSG和LSG/Ni-CAT 的CV對比圖; (d) LSG和LSG/Ni-CAT 的充放電對比圖。

圖4.準固態電解液中電化學性能對比。

(a) 不同沉積時間CV對比; (b) LSG/Ni-CAT不同掃速的CV; (c) LSG和?LSG/Ni-CAT充放電對比圖; (d)?LSG/Ni-CAT在不同電流密度下充放電圖;?(e)?LSG和?LSG/Ni-CAT比電容對比圖;?(f)?循環穩定性測試。

【小結】

該工作通過表面改性，選擇性沉積導電MOF，并首次實現了將導電MOF作為電極材料應用于微電容器中。2D Ni-CAT?MOF作為電極材料工作電壓可以達到1.4?V，比電容高達15.2?mF cm^-2，能量密度和功率密度分別可以達到4.1?μWh cm^-2和7?mW cm^-2。該工作為導電MOF作為電極材料應用于微型電化學能量存儲器件提供了參考。

文獻鏈接：Conductive Metal–Organic Frameworks Selectively Grown on Laser-Scribed Graphene for Electrochemical Microsupercapacitors??(Adv. Energy Mater. 2019,?DOI: 10.1002/aenm.201900482)

本文由吳昊?供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.