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【MOF-867】纳米晶金属有机框架超级电容器
摘要：
金属有机框架（MOFs）虽具有高孔隙率，在气体吸附领域表现出色，但在电化学储能器件中的应用尚未充分探索。本研究制备了23种不同的纳米晶MOFs（nMOFs），将其与石墨烯掺杂并制成超级电容器。其中锆基MOF（nMOF-867）性能优异，堆叠电容达0.64 F/cm³、面电容为5.09 mF/cm²，约为商用活性炭的6倍，且在10000次充放电循环后性能仍保持稳定。
研究背景：
1.行业问题和研究现状：超级电容器中，碳基材料循环寿命长但电容低，金属氧化物电容高但寿命短，多孔聚合物易化学降解；此前仅有一种MOF（Co8-MOF-5）用于超级电容器，电容远低于商用活性炭。
2.本文创新：设计多种nMOFs，通过调控结构、官能团等，结合石墨烯提升电子迁移率，克服传统材料缺陷，获得高性能超级电容器。
实验部分：
1.nMOFs制备：将金属盐与有机配体在DMF中混合，经微波或加热反应，离心分离、溶剂洗涤后真空干燥。如nHKUST-1，将126mg 1,3,5-苯三甲酸与0.25mL三乙胺的DMF溶液，与215mg乙酸铜的DMF溶液混合，搅拌1小时，离心洗涤后真空干燥。
2.nMOF薄膜制备：70mg nMOF与油酸在己烷中超声分散，离心后与石墨烯/己烷分散液混合，旋涂（7000rpm，2min）于钛基底，丙酮去除油酸后真空干燥。
3.超级电容器组装：两片nMOF薄膜（2μm）与隔膜、1.0M四乙基四氟硼酸铵/乙腈电解液组装成扣式电池，进行电化学测试。
分析测试：
1.PXRD：所有nMOFs衍射峰与模拟图谱匹配，如nHKUST-1衍射峰尖锐，证明结晶性良好。
2.氮气吸附：nHKUST-1 BET比表面积1470m²/g，nMOF-867等具有多孔结构，保障离子存储空间。
3.电化学测试：nMOF-867堆叠电容0.644F/cm³、面电容5.085mF/cm²，能量密度6.04×10⁻⁴Wh/cm³，功率密度1.097W/cm³，10000次循环性能稳定。
4.结果揭示：nMOFs的高孔隙率提供离子存储空间，石墨烯提升导电性，特定官能团（如nMOF-867的sp²氮）增强离子相互作用，共同实现高电容与长寿命。
总结：
1.主要研究结果：制备23种nMOFs基超级电容器，nMOF-867性能最优，电容为活性炭6倍，循环稳定性好。
2.创新突破：实现nMOFs在超级电容器的高效应用，揭示结构、官能团等对性能的影响机制。
3.潜在意义：为电化学储能材料开发提供新方向，推动MOF在超级电容器领域的应用。
Supercapacitors of Nanocrystalline Metal-Organic Frameworks
文章作者：Kyung Min Choi, Hyung Mo Jeong, Jung Hyo Park, Yue-Biao Zhang, Jeung Ku Kang, Omar M. Yaghi
DOI：10.1021/nn5027092
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nn5027092
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