Nature子刊：导电MOF材料用于高性能超级电容器

【引言】

电化学双电层电容器（EDLCs）具有很高的功率密度和优越的循环寿命，成为重要的电能储存技术之一，在间歇性可再生能源的大规模部署、智能电网和电动汽车中充当重要角色。

电容量、充放电速率分别与材料的表面积、导电性成正相关，因此，以活性炭、碳纳米管和交联多孔石墨烯等为代表的多孔碳材料常广泛用于EDLCs的电极材料。

另一类比表面积远超活性炭的材料为金属有机框架（MOFs）。常规的MOFs具有很高的孔隙率，比表面积高达7000 m²/g，有希望挑战碳材料在EDLCs中的地位，然而MOFs的导电性限制其发展。

【成果简介】

最近，美国麻省理工学院Mircea Dincă教授课题组（通讯作者）在Nature Materials上发表题为“Conductive MOF electrodes for stable supercapacitors with high areal capacitance”的文章。研究人员制备具有高导电性的Ni₃(2,3,6,7,10,11-六胺三亚苯)₂（Ni₃(HITP)₂），并第一次全部采用这种纯MOFs作为电极材料（不添加导电剂和粘结剂）用于EDLCs。该MOFs基器件表现出比绝大部分碳基材料更高的面积容量，10000次循环后容量保持率高于90%，媲美商业化器件。

【图文导读】

图1：Ni₃(HITP)₂结构示意图

(a) Ni₃(HITP)₂的分子结构。

(b) 理想的Ni₃(HITP)₂空间填充图显示了细孔、电解质Et₄N⁺和BF₄^-、乙腈溶剂分子的相对大小。绿色、绿黄色、蓝色、灰色、棕色和白色小球分别代表Ni、F、N、C、B和H原子。

图2： Ni₃(HITP)₂粉末在三电极体系中的循环伏安曲线

在静止开路电位0.02 V开始以扫速10 mV/s分别从正向和负向提高电位限制。手动压片将Ni₃(HITP)₂粉末压进铂网获得~5 mg/cm²的工作电极。

图3：组装成对称超级电容器且电压提高至1 V时Ni₃(HITP)₂电极的性能

(a) 扫速10 mV/s下，逐渐提高电池电压的循环伏安曲线。在1 V左右CV曲线的矩形性发生轻微偏差归因于氧化还原过程。

(b) 在电流密度为0.5、1.0、2.0 A/g下的恒流充放电曲线。

(c) Nyquist图显示62 kHz-10 mHz范围内虚部对实部的阻抗。插图是高频区的放大图（62 kHz-1 Hz）。

(d) 在电流密度为2 A/g下循环10000次的容量保持率。

图4： 对比不同EDLC材料的面积比容量

归一化相对比表面积的不同材料的面积比容量对比。

图5： Ni₃(HITP)₂对称超级电容器在1.5 V深循环前后的容量损失。

(a) 0-1.5 V测试的CV曲线，显示法拉第过程有明显的损失。

(b) 0-1.0 V测试的CV曲线，显示仅有双电层电容的损失。

【小结】

Mircea Dincă教授课题组的工作表明导电多孔MOF Ni₃(HITP)₂是很有希望的EDLCs活性材料。采用纯Ni₃(HITP)₂组装的非对称超级电容器达到非常高的面积比容量（~18 uF/cm²）和非常低的等效串联电阻。这是第一个基于非碳材料的EDLCs，这项工作确立导电MOF成为EDLCs的新成员。

文献链接：Conductive MOF electrodes for stable supercapacitors with high areal capacitance (Nat. Mater., 2016, DOI: 10.1038/NMAT4766 )

本文由材料人编辑部新能源学术组 蒜头 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。