Nature子刊：導電MOF材料用于高性能超級電容器

【引言】

電化學雙電層電容器（EDLCs）具有很高的功率密度和優越的循環壽命，成為重要的電能儲存技術之一，在間歇性可再生能源的大規模部署、智能電網和電動汽車中充當重要角色。

電容量、充放電速率分別與材料的表面積、導電性成正相關，因此，以活性炭、碳納米管和交聯多孔石墨烯等為代表的多孔碳材料常廣泛用于EDLCs的電極材料。

另一類比表面積遠超活性炭的材料為金屬有機框架（MOFs）。常規的MOFs具有很高的孔隙率，比表面積高達7000 m²/g，有希望挑戰碳材料在EDLCs中的地位，然而MOFs的導電性限制其發展。

【成果簡介】

最近，美國麻省理工學院Mircea Dinc?教授課題組（通訊作者）在Nature Materials上發表題為“Conductive MOF electrodes for stable supercapacitors with high areal capacitance”的文章。研究人員制備具有高導電性的Ni₃(2,3,6,7,10,11-六胺三亞苯)₂（Ni₃(HITP)₂），并第一次全部采用這種純MOFs作為電極材料（不添加導電劑和粘結劑）用于EDLCs。該MOFs基器件表現出比絕大部分碳基材料更高的面積容量，10000次循環后容量保持率高于90%，媲美商業化器件。

【圖文導讀】

圖1：Ni₃(HITP)₂結構示意圖

(a) Ni₃(HITP)₂的分子結構。

(b) 理想的Ni₃(HITP)₂空間填充圖顯示了細孔、電解質Et₄N⁺和BF₄^-、乙腈溶劑分子的相對大小。綠色、綠黃色、藍色、灰色、棕色和白色小球分別代表Ni、F、N、C、B和H原子。

圖2： Ni₃(HITP)₂粉末在三電極體系中的循環伏安曲線

在靜止開路電位0.02 V開始以掃速10 mV/s分別從正向和負向提高電位限制。手動壓片將Ni₃(HITP)₂粉末壓進鉑網獲得~5 mg/cm²的工作電極。

圖3：組裝成對稱超級電容器且電壓提高至1 V時Ni₃(HITP)₂電極的性能

(a) 掃速10 mV/s下，逐漸提高電池電壓的循環伏安曲線。在1 V左右CV曲線的矩形性發生輕微偏差歸因于氧化還原過程。

(b) 在電流密度為0.5、1.0、2.0 A/g下的恒流充放電曲線。

(c) Nyquist圖顯示62 kHz-10 mHz范圍內虛部對實部的阻抗。插圖是高頻區的放大圖（62 kHz-1 Hz）。

(d) 在電流密度為2 A/g下循環10000次的容量保持率。

圖4： 對比不同EDLC材料的面積比容量

歸一化相對比表面積的不同材料的面積比容量對比。

圖5： Ni₃(HITP)₂對稱超級電容器在1.5 V深循環前后的容量損失。

(a) 0-1.5 V測試的CV曲線，顯示法拉第過程有明顯的損失。

(b) 0-1.0 V測試的CV曲線，顯示僅有雙電層電容的損失。

【小結】

Mircea Dinc?教授課題組的工作表明導電多孔MOF Ni₃(HITP)₂是很有希望的EDLCs活性材料。采用純Ni₃(HITP)₂組裝的非對稱超級電容器達到非常高的面積比容量（~18 uF/cm²）和非常低的等效串聯電阻。這是第一個基于非碳材料的EDLCs，這項工作確立導電MOF成為EDLCs的新成員。

文獻鏈接：Conductive MOF electrodes for stable supercapacitors with high areal capacitance (Nat. Mater., 2016, DOI: 10.1038/NMAT4766 )

本文由材料人編輯部新能源學術組 蒜頭 供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。