金屬-有機(jī)框架在離子電容器中的應(yīng)用與研究

背景介紹隨著經(jīng)濟(jì)與科技的飛速發(fā)展與化石燃料的日益枯竭，高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)及器件研發(fā)逐漸成為當(dāng)今各國(guó)政府及科學(xué)家廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在眾多的儲(chǔ)能器件中，混合離子電容器(HICs)因其兩端電極分別由具有雙電層電容行為的超級(jí)電容器型電極以及脫插嵌行為的電池型電極組成，并結(jié)合了電容器的大功率密度和電池的高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)備受關(guān)注。金屬-有機(jī)框架(MOFs)

由于其大比表面積、高孔隙率、孔道規(guī)則且可調(diào)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是先進(jìn)的儲(chǔ)能活性材料。為了解決導(dǎo)電性差的問題，研究者們致力于開發(fā)本身具有良好導(dǎo)電性的MOFs

材料或通過將MOFs

與導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)復(fù)合的方式來(lái)改善其電化學(xué)性能。文章亮點(diǎn)1.

總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)MOFs及其衍生物作為離子電容器電極材料相關(guān)的研究進(jìn)展；2.

討論MOFs

在應(yīng)用于離子電容器電極材料時(shí)的電化學(xué)特性及其改性策略，為設(shè)計(jì)合成新型性能優(yōu)異的MOFs

基離子電容器電極材料提供理論依據(jù)和參考。內(nèi)容簡(jiǎn)介1

原生MOFs材料直接作為電極材料原生MOFs因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性在各應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注，但作為電極材料卻因其較低的本征導(dǎo)電性而受到極大的限制。為提高M(jìn)OFs本身的導(dǎo)電性而提高其電化學(xué)性能，人們致力于開發(fā)具有良好導(dǎo)電性的MOFs。通常采用具有剛性平面共軛結(jié)構(gòu)的配體與特定金屬中心配位，可以獲得具有大通道尺寸以及高導(dǎo)電框架的MOFs，進(jìn)而為離子電容器中的離子擴(kuò)散和電子傳輸提供快速通道和傳輸路徑。2

MOFs的衍生物作為電極材料MOFs可以通過熱解、溶劑熱等方式衍生制備多孔碳材料、金屬氧化物、硒化物等材料。這些衍生材料通常能夠在繼承MOFs自身結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，結(jié)合其衍生物的優(yōu)點(diǎn)，如多孔碳的高導(dǎo)電性及其他衍生材料所摻雜的金屬原子、雜原子等的電容性能和催化性能，從而能夠發(fā)揮出比原生MOFs更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。2.1

MOFs衍生的碳材料以利用醋酸錳與1,4-二苯甲酸(H2BDC)配體，通過水熱法合成Mn基MOF（Mn-BDC），并進(jìn)一步熱解制備了鉀離子電容器(PHIC)的陽(yáng)極材料。高溫?zé)峤膺^程的產(chǎn)物為碳包覆MnO納米顆粒材料，其中的MnO顆粒通過酸腐蝕去除，便得到了厚度為100~300nm、長(zhǎng)度為1~3μm的多孔碳片材料(MDPC)。2.2

MOFs衍生的氧化物作為電極材料通過溶劑熱一步法制備了多孔空心Fe2O3納米粒子（α-Fe2O3HPNP），并將其作為高性能LHIC的負(fù)極材料，與具有高比表面積的糖基碳納米球(GCNS)正極組裝α-Fe2O3HPNP//GCNSLHIC。α-Fe2O3HPNP

的TEM圖可以清晰地觀察到其中空結(jié)構(gòu)，且該中空結(jié)構(gòu)的殼為介孔結(jié)構(gòu)（圖4a）。2.3

MOFs衍生的硒化物作為電極材料利用六羧基苯取代環(huán)三磷腈（HCTP-COOH）與三水硝酸銅反應(yīng)，通過溶劑熱法制備了Cu-MOF，并進(jìn)一步通過一步硒化法將Cu-MOF分別在450℃和550℃衍生得到多雜原子摻雜的納米片狀結(jié)構(gòu)的Cu1.8Se/C-450和Cu1.8Se/C-550復(fù)合材料。3

總結(jié)與展望電極材料是離子電容器的核心部分，它直接決定了離子電容器的性能。近年來(lái)，具有大比表面積、高孔隙率、孔道規(guī)則且可調(diào)、結(jié)構(gòu)和功能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)的MOFs材料，是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ碾x子電容器電極材料，有望促進(jìn)離子電容器的發(fā)展。本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)MOFs及其衍生物作為離子電容器的電極材料相關(guān)的研究進(jìn)展，其中原生的MOFs材料制備較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)易調(diào)控，但MOFs材料導(dǎo)電性較差，比容量較低。將MOFs材料作為前驅(qū)體，通過熱解、溶劑熱等方式得到MOFs基衍生物如碳材料、氧化物、硒化物等是一個(gè)主流的研究方向，MOFs基衍生物可以在改善原生MOFs導(dǎo)電性較差等問題的同時(shí)，還可以大大提高材料的電化學(xué)性能。由于在離子電容器中，電池型材料對(duì)整個(gè)離