鲍哲南最新Nature Energy：坚韧导电的高体积和高面积容量二维MOFs材料

【引言】

随着社会不断进步发展，对安全可靠、高性能的储能器件的需求逐步增加。电化学电容器，即超级电容器以其长久的循环寿命、快速的充放电能力在储能领域占据重要地位。但是，能量密度低是超级电容器的一大弊端。此外，制备高面积容量的亚毫米级别厚度的电极在实际应用中显得十分重要。

MOFs（metal−organic frameworks，金属有机框架）是一种有着高比表面积的多孔材料，在分子层面能用于设计无机和有机框架材料，在高容量超级电容器领域中有着广泛的应用前景。然而大部分MOFs导电性太差，严重影响了储能器件的性能。由此导电MOFs应运而生，它由配位聚合物，如强金属配位基轨道杂化形成的半导体和导体组成。2D和3D的MOFs与1D的相比，拥有更多的孔，因而获得更多的氧化还原活性位点。但是，框架的本征能量密度太低，限制了氧化还原活性位点的理论能量密度提升，从而降低了体积容量和质量容量。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的鲍哲南教授课题组联合斯德哥尔摩大学和阿贡国家实验室在著名Nature子刊Nature Energy上发表题为”Robust and conductive two-dimensional metal organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance”的文章。该文章报道了一种设计具有氧化还原活性的导电MOF材料用于超级电容器方法，这种MOF的容量由赝电容贡献，而不是电双层电荷。为了增加氧化还原活性中心，选取了超小的HAB(hexaaminobenzene)连接体构筑导电MOF。HAB连接体与d8和d9直角-平面配位几何的金属种类一致，因而产生了亚纳米孔。这一特性产生了高体积和大面积电容，能用于亚毫米厚度的电化学电容器。

【图文导读】

图一：HAB MOFs的合成和结构表征。

a)Cu-/Ni-HAB MOFs的合成示意图；

b)Cu-HAB的PXRD实验和模拟曲线；

c)Cu-HAB薄膜的2D GIXD图样；

d)Cu-HAB的HR-TEM图；

e)图d中蓝色区域的HR-TEM图；

f)从HR-TEM计算的对称附加和平均晶格图像；

g)实验和h)模拟的电子衍射图样；

i)Cu-HAB的空间分布模型。

图二： HAB MOFs的制备、吸收图谱和导电性。

a)SEM图；

b)冷压成型制备Ni-HAB；

c)UV-vis-NIR吸收光谱；

d)温度-电导关系图。

图三：电化学性能表征。

a)/b)CV图；

c)EIS图；

d)扫速与重量电容、体积电容的关系；

e)Ni-HAB电极不同载量下的面积倍率性能；

f)10A g-1电流密度充放电的电容保持量。

图四：Ni-HAB体积和面积容量与其他材料的比较。

【小结】

制备了一种基于HAB配位基的高导电二维MOFs，该材料具有良好化学稳定性。选取的小HAB配位基不仅利于合成高密度的框架，并且得到了超高体积电容性能（760F cm^-3）的同时，也获得了稳定的氧化还原行为和400F g^-1的质量电容。由于HAB MOF颗粒尺寸较小，尽管电极的厚度增加至360μm， 面积电容的值也达到20F cm^-2。并且，12000次循环后电容保持量仍有90%。

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

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