亚洲化学MOF专刊系列文章即将陆续上线!有机金属框架/壳聚糖复合物衍生的分级多孔碳在超级电容器方面的应用

Chemistry – An Asian Journal MOF 专刊即将上线,敬请关注和期待!

今天,Chemistry – An Asian Journal编辑团队很荣幸地跟大家分享一下我们MOF专刊刚刚收录的第一篇研究论文。来自日本AIST-京都大学化学能源材料开放创新实验室(ChEM-OIL)主任,扬州大学徐强教授的研究团队。

超级电容器因其具有高功率密度和超长的循环使用寿命,被认为是用于能量存储的高效率电化学器件,且可以满足当今能源使用的需求。双电层电容器(EDLC)的储能机理是基于电解质与电极界面处离子的吸附/脱离。其在充放电过程中,没有发生氧化还原反应。众所周知,电极材料对超级电容器的电化学性能提高有着关键的影响。因此,高性能的电极材料的合成一直都是研究的热点,并有望应用在便携式电子设备中。

迄今为止,碳基材料因为具有优异的机械性、良好的热电性质和化学稳定性,其作为电极材料被广泛地应用于超级电容器领域。具有高的比表面积、分级的孔分布(小孔·介孔·大孔)和优异的导电性等特征的碳电极材料,可以极大地提高电容特性。研究表明,小孔和介孔/大孔在电荷传输过程中有着重要的影响。因此,碳电极材料的分级孔结构对电容器的研究有着重要的理论意义和实际价值。金属有机框架结构(MOF)具有有序的孔道、高比表面积以及可调的孔结构等优点。自2008年报道以来(JACS, 2008, 130, 5390-5391),MOF作为模板·前驱体制备纳米分级多孔碳受到了广泛地关注。

图1. 分级多孔碳NPC 和NPC-2 的制备示意图。MOF-5/CSCA-2中黄色部分代表孔穴中的壳聚糖分子。

最近,日本产业技术综合研究所/扬州大学徐强教授带领的研究团队采用了MOF/壳聚糖(CS)复合物作为前驱体,经过高温碳化,成功制备出一系列具有小孔·介孔·大孔的分级孔结构的碳材料 (图1)。实验表明,MOF/壳聚糖复合物作为牺牲模板,衍生出的一系列具有分级孔结构的多孔碳显示出较高的介孔·大孔/小孔的体积比。其中,NPC-2具有高的比表面积(2375 m2g-1)和孔体积(2.49 cm3 g-1)以及石墨化程度。而在制备过程中没有使用壳聚糖的多孔碳NPC则显示出低的介孔·大孔/小孔的体积比,以及低的比表面积和孔体积。孔径分布结果显示,NPC-2不仅具有小孔(0.5-0.9 nm),还有丰富的介孔(2-10 nm,20-50 nm)。然而,NPC仅显示< 20 nm的孔径分布。壳聚糖添加剂的引入有效地调节了最终碳材料的孔结构,尤其是显著扩大了NPC-2的孔容。究其原因是因为,在高温裂解过程中,复合物孔穴中的壳聚糖分子的分解对孔容增加起到了正面的作用。电化学测试结果表明,NPC-2具有高的比电容值 (199.9 F g-1)、优异地倍率特性以及稳定性,这些都是得益于其分级的孔结构 (尤其是丰富的中孔)、高的比表面积以及孔体积,有利于离子的传输和扩散。

研究者相信,此项研究启发了分级多孔碳材料的研究,将进一步推进MOF衍生的分级多孔碳在电化学方面的应用。

相关工作发表在Chemistry – An Asia Journal(DOI:10.1002/asia.201900318R1)。

作者:Shan Zhong, Dr. Mitsunori Kitta, and Prof. Dr.Qiang Xu*

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Chemistry – An Asian Journal MOF 专刊即将上线,敬请关注和期待!

作为多孔材料的明日之星,金属有机框架(MOF)材料因其具备高比表面积,规则有序和可调的孔径大小和形状,以及易功能化和修饰化等特点,成为非常有应用前景的多功能材料。而关于它的研究进展和突破也是近年来化学和材料领域最重要的事件之一。

90年代末,MOF材料稳定的多孔性被Yaghi和Kitagawa(现任Chemistry – An Asian Journal编委会主席)等科学团队发现和建立,从而极大地促进这类材料的快速发展和应用。在过去十几年间,大量来自不同领域的科学家致力于发展和探索MOF材料在不同领域的应用,例如气体吸附,气体分离与存储,参与催化反应,传感器应用,药物分子传送等,取得了令人瞩目的进展。

最近,Chemistry– An Asian Journal编辑团队,非常荣幸的邀请到了四位在MOF领域做出杰出贡献的科学家担任MOF专刊的客座编辑,他(她)们分别是日本AIST-京都大学化学能源材料开放创新实验室(ChEM-OIL)主任,扬州大学徐强教授(徐强教授同时也是欧洲科学院院士,2012年获得汤姆森路透社前沿研究奖,2014~2017年被汤姆森路透社评为化学和工程两个领域的高被引频科学家),美国加利福尼亚大学的Pingyun Feng教授,德国TU Dresden的Stefan Kaskel教授和印度Institute of Technology Kanpur的Parimal KantiBharadwaj教授。

同时还得到了大批相关领域科学家的鼎力支持,我们Chemistry– An Asian Journal编辑团队正在为大家遴选,整理并发表这期关于MOF的专刊。本专刊计划于2019年9月正式完成并推出,但是我们陆续遴选收录的研究论文和综述将会在第一时间在我们的期刊网站上线,以供大家的阅读。

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“扎根亚洲、博览世界”,2005年由中国化学会、印度化学研究会、日本化学会与韩国化学会共同成立了“亚洲化学编辑协会(ACES)”,不久之后,新加坡国家化学研究所、中国台湾化学会加入了该亚洲各国化学会的协会组织。2007年,香港化学会、澳大利亚皇家化学学会及泰国化学会加入;此后,马来西亚化学协会、越南化学会也相继在2008年与2009年加入。至今为止,ACES已经是一个包含13个化学会成员的联盟组织.

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