二维DABCO-Co MOF作为离子通道用于快速可逆铵离子超级电容

首页 > 行业动态 > 二维DABCO-Co MOF作为离子通道用于快速可逆铵离子超级电容

摘要
印度理工的Shaikh M. Mobin*团队的研究中（ACS Materials Lett. 2026）开发了一种由redox活性有机连接体和钴中心构成的二维钴基金属有机框架（2D Co-MOF），其晶体学明确的二维层状结构，提供了广阔的表面可及性、均匀孔道和丰富redox活性位点，利于NH₄⁺高效嵌入。该材料在1 A g⁻¹下比电容达564 F g⁻¹，10000次循环后容量保持率91%；组装的铵离子超级电容器（AISc）能量密度42.5 Wh kg⁻¹，10000次循环后电容保持率88%，为下一代绿色储能技术提供合理策略。

研究背景
1. 行业问题：超级电容器因功率密度高、充放电快、寿命长受关注，NH₄⁺是传统碱金属阳离子的理想替代物，但缺乏兼具结构适应性和稳定离子通道的主体材料；二维层状MOF存在水性电解质中稳定性差、电导率不足、循环容量衰减等问题。
2. 现有方案：学者探索了金属氧化物、层状材料等多种NH₄⁺储能材料，通过氧空位、官能团修饰提升性能，但未解决层状MOF的核心痛点，无法兼顾高容量、高稳定性和快速离子传输。
3. 本文创新：以Co²⁺为金属中心，H₂TDC（噻吩二甲酸）和DABCO为配体，合成晶体学明确的二维层状Co-MOF，构建短离子扩散路径和丰富电活性位点，兼具高比电容、优异稳定性和高能量密度，解决传统层状MOF的局限。

实验部分
1. 2D Co-MOF合成：以0.1 mmol H₂TDC、0.1 mmol DABCO为配体，0.1 mmol Co(NO₃)₂·6H₂O为金属源，2 mL DMF与2 mL MeOH为溶剂，室温法合成暗粉色晶体，SC-XRD验证纯度。
2. 结构表征：采用SC-XRD、PXRD等多种技术，分析材料晶体结构、结晶度、热稳定性、形貌和元素分布。
3. 电化学测试：以1 M (NH₄)₂SO₄为电解质，三电极体系测试电极性能；组装2D Co-MOF//AC不对称超级电容器，评估实际应用可行性。
4. 机理探究：通过原位ATR-FTIR、XRD结合电化学结果，分析NH₄⁺存储机制。
实验突破：室温简便合成，比电容和能量密度优于同类材料，10000次循环性能稳定，解决层状MOF电化学稳定性差、离子传输慢的痛点。

分析测试
1. 晶体结构：SCXRD显示其为正交晶系Cmm2空间群，Co²⁺为CoO₄N₂扭曲八面体配位，Co-O键长2.022-2.239 Å，Co-N键长2.166 Å；PXRD证实相纯度高。
2. 热稳定性与孔隙：TGA显示350℃以下热稳定，80-180℃脱除残留DMF；BJH分析比表面积19.08 m² g⁻¹，平均孔径3.2 nm（介孔）。
3. 形貌与元素：FE-SEM显示片状形貌，HRTEM观察到薄片状层域，层间距0.30 nm；EDX和HAADF证实Co、O、C、S、N均匀分布；ATR-FTIR证实金属-配体有效配位。
4. 电化学性能：三电极体系中，1 A g⁻¹比电容564 F g⁻¹，EIS测试Rct仅6.2 Ω，10000次循环保持率91%；不对称超级电容器1 A g⁻¹比电容120 F g⁻¹，能量密度42.5 Wh kg⁻¹，串联可驱动LED超4分钟。

机理分析
1. 组装机理：Co²⁺与H₂TDC、DABCO协同配位，H₂TDC桥连Co²⁺形成一维链，DABCO支撑为二维网络；层间氢键连接形成稳定层状结构，为NH₄⁺传输提供通道。
2. 存储机理：NH₄⁺存储以表面赝电容反应和浅层嵌入为主，-COO⁻位点与NH₄⁺形成可逆氢键；b值0.63，20 mV s⁻¹时赝电容贡献62%，体现快速电化学动力学。
3. 优异性能成因：层状结构缩短离子扩散路径，介孔提升传输效率；Co²⁺与redox配体协同增加活性位点；强配位键和氢键保障循环稳定性。

小结
本研究通过合成二维层状Co-MOF，实现NH₄⁺高效可逆存储，材料及超级电容器性能优于同类，为二维MOF在铵离子储能领域提供新范例。

文章标题：Redox-Active 2D Layers Metal–Organic Framework as Ion Highways toward Fast and Reversible Ammonium-Ion Supercapacitors
文章作者：Nissar Hussain, Altaf Husain, Shaikh M. Mobin*
DOI：10.1021/acsmaterialslett.6c00048
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.6c00048

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。