阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef组AEM：导电MOF应用于微型电容器

【引言】

能量存储系统微型化对于便携式电子器件，可植入式微型器件，传感器以及物联网等的快速发展必不可少。其中，电化学微电容器是一种极具潜力的微型能源存储器件。近几年来，利用CO₂激光剥离石墨烯（laser-scribed graphene, LSG）技术被证明是一种能够直接制备微电容器电极的有效方法。该方法能够有效地在多种基底上（如PI膜等）实现电极图案的直接“书写”，避免使用复杂且耗时的光刻等工艺。然而，这类方法直接制备的LSG的比电容尚且较低。由于使用CO₂激光将sp³-C向sp²-C转化的过程中会产生大量的孔道和表面缺陷，因此通过构筑丰富的表面官能团可以使LSG作为一种理想的导电平台以实现和其它高电容性材料之间的耦合。金属有机骨架（MOFs）作为一类多孔道高比表面的轻质材料作为电极材料极具潜质，其分枝导电MOF更是具有优于传统MOF的特性。近几年来，二维导电MOF（2D MOF）得益于有效的层层间的π–π堆积使其拥有较多的π–π 和π–d 轨道重叠，因此展现出了优异的导电性能。2D MOF作为电极材料也因此被应用于电化学电容器中。然而，基于2D MOF的电极材料尚未应用于微电容器，原因可能有以下几种：1. 大多数MOF都是粉体形式被制备出来，在器件制备中通常使用的热蒸镀，溅射以及刻蚀等过程会造成MOF的损坏。2. 导电MOF的选择性（需只与导电集流体结合）生长是很大的挑战。3. 绝大多数2D MOF并不能同时作为正极和负极工作（即对称型），使得制备工艺更加复杂。

【成果简介】

近日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的Husam N. Alshareef 教授和Mohamed Eddaoudi教授合作，制备一种基于导电MOF的微电容器。作者首先通过CO₂激光在PI膜上制备出 LSG电极，然后通过对LSG表面改性并用作三维导电基底，接着用一步低温溶剂热法将导电2D MOF Ni-CAT纳米棒选择性地沉积在LSG上，形成LSG/Ni-CAT MOF复合电极材料。该电极材料可同时作为电容器的正极和负极，且展现出了远高于LSG的电化学性能（比电容，能量密度等）。同时，该复合电极也展现出了较好的倍率性能和循环稳定性。该成果以题为“Conductive Metal–Organic Frameworks Selectively Grown on Laser-Scribed Graphene for Electrochemical Microsupercapacitors”发表在Adv. Energy Mater.上，论文第一作者为KAUST博士后吴昊。

【图文导读】

图1. LSG/Ni-CAT MOF复合电极材料制备流程及Ni-CAT结构示意图。

(a)-(c) 电极制备过程; (d)-(g) 2D层状Ni-CAT结构示意图。

图2. 形貌及组分表征。

(a), (b) 分别为LSG和 LSG/Ni-CAT扫描电镜图; (c) LSG/Ni-CAT透射电镜图; (d), (e) 分别为电子束垂直和平行于一维孔道的高倍透射电镜图; (f) XRD图谱; (g) FTIR 图谱。

图3. 水系电解液中电化学性能对比。

(a) LSG/Ni-CAT作为正负极的CV图; (b) LSG/Ni-CAT不同工作电压区间CV图; (c) LSG和LSG/Ni-CAT 的CV对比图; (d) LSG和LSG/Ni-CAT 的充放电对比图。

图4.准固态电解液中电化学性能对比。

(a) 不同沉积时间CV对比; (b) LSG/Ni-CAT不同扫速的CV; (c) LSG和 LSG/Ni-CAT充放电对比图; (d) LSG/Ni-CAT在不同电流密度下充放电图; (e) LSG和 LSG/Ni-CAT比电容对比图; (f) 循环稳定性测试。

【小结】

该工作通过表面改性，选择性沉积导电MOF，并首次实现了将导电MOF作为电极材料应用于微电容器中。2D Ni-CAT MOF作为电极材料工作电压可以达到1.4 V，比电容高达15.2 mF cm^-2，能量密度和功率密度分别可以达到4.1 µWh cm^-2和7 mW cm^-2。该工作为导电MOF作为电极材料应用于微型电化学能量存储器件提供了参考。

文献链接：Conductive Metal–Organic Frameworks Selectively Grown on Laser-Scribed Graphene for Electrochemical Microsupercapacitors  (Adv. Energy Mater. 2019, DOI: 10.1002/aenm.201900482)

本文由吴昊 供稿。

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