Angew. Chem. Int. Ed. 基于微型芯片超级电容器配位聚合物的交流电线性过滤性能研究

【引言】

近年来，如微型超级电容器和微型电池等电化学能量储存设备，由于其在手机电子设备、无线传感器、和医药植入方面的应用受到科学界学者们巨大的关注。最近的研究集中于利用如石墨烯、石墨烯基纳米复合材料等纳米结构功能材料组装成微型超级电容器。

【成果简介】

近日，Angewandte Chemie International Edition刊登了一篇题为“Coordination Polymer Framework-Based On-Chip Micro-Supercapacitors with AC Line-Filtering Performance”的文章，报道了德累斯顿工业大学及上海交通大学冯新亮教授、庄晓东博士和德国马普所Enrique Canovas博士（共同通讯作者）等人，采用层叠方法制备出了以配位聚合物框架为基础的微型芯片超级电容器，因为PiCBA薄膜较好的载体迁移率 (5×10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹)、甘菊环骨架的永久偶极距和PiCBA超低的能带间隙，组装得到的MSCs具有高达34.1 F cm⁻³的质量比容量，在50 mV s⁻¹的扫描速率下，具备高达1323 W cm⁻³的体积功率密度。 同时还呈现出优良的交流线性滤波性能（在120 Hz时，−73°）。

【图文导读】

图一：PiCBA薄膜的制备和表征

a.通过异腈和钴离子(R=−COOC₂H₅)之间的配位反应合成PiCBA

b.TEM图呈现出在铜格上PiCBA较大的区域范围

c.PiCBA和iCBA的N 1s核心层光谱

d.PiCBA在石英薄片上的紫外光谱；其中插图为349nm的吸光度和层数之间的线性关系

e.PiCBA用作泵探针延迟时的光电导性（激发波长为：400 nm, 90 μJ⋅cm⁻²）

f.PiCBA中（光致激发后为45 ps）频率分辨复值的光电导性；黑色的立方体和红色的开符号分别代表实际测量值和理想值，穿过数据点的直线代表着通过Drude–Smith 模型得到的最佳配合

图二：PiCBA-Au电极的组装

a-c) PiCBA薄膜层叠组装在Au指状组合型电极上的原理图(i)将Au指状组合型电极在iCBA溶液中浸没24小时之后用新配置的CHCl₃溶液冲洗(ii)浸没在CoCl₂溶液中60秒之后依次用去离子水、iCBA溶液（60秒）和新配置的CHCl₃溶液冲洗，形成单层PiCBA薄膜。将此过程重复九次最终获得十层PiCBA-Au电极

图三：MSCs性能的表征

a.在H₂SO₄-PVA凝胶电解液中，以PiCBA为基础的MSCs在不同扫描速率下的CV曲线，即使在不同的扫描速率下，也呈现出典型的双电层电容行为

b.MSCs在不同扫描速率下C_v的变化

c.以PiCBA为基础的微型装置复杂的平面阻抗谱图；插图呈现的是高频区域的放大图

d.以PiCBA为基础的微型装置的频率阻抗相角图

e.电容图（C_v′为实际体积电容，C_v′′为理想体积电容）和以PiCBA为基础的MSCs的频率图

f.PiCBA的Ragone图

以上的这些数据表明，PiCBA 相比于商业应用的锂薄膜电池、电解质电容器、聚苯胺(PANI)纳米线、CNT-石墨烯毯、Ti₃C₂Tx和洋葱碳而言，能够呈现出更加优异的高功率密度的电化学能量储存性能。

图四：晶胞和能带结构

a.PiCBA框架的晶胞伸展图；计算值呈现出的方形布拉菲点阵约为a=20.948 Å,b=20.944 Å和ϕ≈90.0°

b.模拟的能带结构和态密度(DOS)图；费米能级穿越两个自旋向上的能带表明了材料的金属性能

c.基于穿越零无序的两个费米能级带计算的量子电容

d.在Γ点处穿过费米能级的较低能带的电荷密度以及在X处接近布里渊区边界的电荷密度，即k =（0.4,0.0,0.0）。第二带的电荷密度在Γ点几乎相同，并在（0.4,0.0,0.0）处水平互补离域。

【小结】

通过在室温条件下，利用层叠方法制备出了配位聚合物框架为基础的微型芯片超级电容器，组装出来的微型芯片超级电容器具备高质量比容量、高能量密度和理想的交流电线性过滤性能。配位聚合物框架具备甘菊环基骨架的永久偶极距、超低能带间隙和优良的载体迁移率，使得这种物质成为能量储存和光电应用的理想材料。

文献链接：Coordination Polymer Framework-Based On-Chip Micro-Supercapacitors with AC Line-Filtering Performance（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201700679）

本文由材料人欧洲杯线上买球 组 穆以温 供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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