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Adv. Energy Mater.:导电MOF应用于微型电容器
更新日期:2019-04-23  

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MOF2D MOF)得益于有效的层层间的π–π堆积使其拥有较多的π–π 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。

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,制备了一种基于导电MOF的微电容器。作者首先通过CO2激光在PI膜上制备出LSG(激光剥离石墨烯)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《先进能源材料》期刊上(Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201900482),论文第一作者为KAUST博士后吴昊。


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。


2. 形貌及组分表征。(a), (b)分别为LSG 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。

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) LSGLSG/Ni-CAT CV对比图;(d) LSGLSG/Ni-CAT 的充放电对比图。

该工作通过表面改性,选择性沉积导电MOF,并实现了将导电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-27 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。

    (摘自材料牛网