用于高级超级电容器性能的二维导电金属有机框架中的分子级孔调谐

首页 > 行业动态 > 用于高级超级电容器性能的二维导电金属有机框架中的分子级孔调谐

摘要：
Pohang University of Science and Technology的Sarah S. Park等报道的本篇文章（J. Am. Chem. Soc. 2024）中研究了一种具有氧化还原活性的芳香胺侧基的二维导电金属-有机框架（MOF）Cu3(HHTATP)2，用于超级电容器电极材料。Cu3(HHTATP)2展现了伪电容电荷存储行为，平均重量比电容在0.2 A g^-1放电速率下为340 ± 15 F g^-1，并且在5 A g^-1下经过7000次恒流循环后保持了超过90%的电容保持率。这些极性芳香胺不仅通过额外的胺/亚胺氧化还原活性增强了电容，还通过改变电极-电解液相互作用减少了界面电荷转移电阻。这些结果突出了分子水平孔隙环境调控在能量存储应用材料设计中的潜力。

研究背景：
1. 超级电容器作为一类有前途的电化学能量存储设备，因其快速充放电速率和长期循环稳定性而受到关注。然而，现有的某些金属氧化物（如RuO2或Nb2O5）成本较高，或在聚合物体积内的电解液扩散有限，需要研究其他电化学活性材料。
2. 二维导电MOFs因其固有的电荷传输路径、高孔隙率和内置的氧化还原活性位点而成为超级电容器电极的可行候选材料。尽管它们在有机和水系超级电容器中显示出有希望的电化学性能，但其内在的伪电容特性尚未被充分利用。
3. 本文作者在现有研究的基础上，通过引入极性、氧化还原活性的芳香胺侧基，调控了MOF的孔隙环境，从而增强了EDL电容和法拉第过程，提高了超级电容器的性能。

实验部分：
1. Cu3(HHTATP)2的合成：
   1) 通过溶剂热合成方法，将Cu3(HHTATP)2的前体物质在适宜的溶剂中反应，得到暗色粉末状产物。
   2) 对产物进行洗涤和干燥，得到具有堆叠纳米片形态的Cu3(HHTATP)2。
   3) 对合成的Cu3(HHTATP)2进行表征，确认其结构和纯度。
2. 电极制备：
   1) 将85 wt% Cu3(HHTATP)2、15 wt%乙炔黑和5 wt% PTFE混合，制备自由站立的复合电极。
   2) 采用已知方法将上述混合物压制成电极片。
3. 电化学性能测试：
   1) 在三电极体系中，使用1 M KCl水溶液作为电解质，对Cu3(HHTATP)2基电极进行电化学阻抗谱（EIS）测试。
   2) 通过循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）测试，评估电极的伪电容响应和比电容。
4. 接触角测量：
   1) 测量水滴在Cu3(HHTATP)2和Cu3(HHTP)2电极上的接触角，以评估其亲水性。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射（PXRD）：
   - 使用Rigaku MiniFlex X射线衍射仪，得到Cu3(HHTATP)2的PXRD图谱，确认其晶体结构。
2. 透射电子显微镜（TEM）：
   - 采用TEM观察Cu3(HHTATP)2的形貌，发现其具有特征性的蜂窝状晶格结构。
3. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：
   - FT-IR谱图显示了Cu3(HHTATP)2中芳香胺的特征吸收峰，确认了胺基团的存在。
4. 氮气吸附-脱附等温线：
   - BET比表面积为298.8 m^2/g，孔径为1.3 nm，表明Cu3(HHTATP)2具有较高的比表面积和特定的孔隙结构。
5. 电化学阻抗谱（EIS）：
   - EIS测试结果显示Cu3(HHTATP)2在低频区域的线性尾部，表明了其超级电容器材料的特征。
6. 循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）测试：
   - CV测试显示准矩形迹线和宽氧化还原峰，GCD曲线显示伪线性迹线，平均重量比电容在0.2 A g^-1下为340 ± 15 F g^-1。
7. 接触角测量：
   - Cu3(HHTATP)2基电极的接触角为46.4 ± 3.3°，低于Cu3(HHTP)2基电极的64.1 ± 4.2°，表明Cu3(HHTATP)2具有更好的亲水性。

总结：
本文通过分子水平孔隙环境调控，成功地增强了Cu3(HHTATP)2基超级电容器的电化学性能。研究表明，引入的极性芳香胺不仅增强了孔隙的亲水性，促进了电解液的扩散和活性位点的可及性，而且还通过胺/亚胺氧化还原反应提供了额外的氧化还原活性。这些改进导致Cu3(HHTATP)2在0.2 A g^-1下展现出340 ± 15 F g^-1的高重量比电容，并在5 A g^-1下经过7000次循环后保持了超过90%的电容保持率。

展望：
本文的研究成果为设计和合成具有改进电化学性能的MOF基超级电容器提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索通过调控孔隙环境来匹配特定电解液条件的策略，例如引入-OH基团以进一步增强孔隙的亲水性，从而开发出具有最佳电化学界面的活性电极材料，以实现高效的能源存储。此外，研究者还可以探索这些材料在不同类型电解液中的性能，以及它们在实际超级电容器设备中的应用潜力。

Molecular-Level Pore Tuning in 2D Conductive Metal−Organic Frameworks for Advanced Supercapacitor Performance
文章作者：Gyuwon Lee, Geunchan Park, and Sarah S. Park*
DOI：10.1021/jacs.4c11372
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11372

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。