Advanced Materials:氧化还原策略调控双金属有机框架衍生物的电化学性能

便携式电子产品和电动汽车对能源的需求成为了促使高效储能技术快速发展的动力。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件,它既具有电容器可以快速充放电的特点,又具有电池的储能特性,具有高能量密度、快速充电速率和优异的长循环稳定性等优点。金属有机框架材料(MOFs)是由金属离子或金属簇与有机配体通过自组装配位形成的化合物。由于其高比表面积、可控的多孔结构、和丰富的拓扑结构而被广泛应用于储能领域。考虑到MOFs材料中的金属组分对电化学性能的影响和贡献,通过活化金属离子来提升电极材料的性能是目前常见的方法,然而这种活化却往往伴随着结构的严重破坏而不能最大限度地增强材料的电化学性能。

华中科技大学夏宝玉课题组通过氧化还原策略来调控双金属Co-Ni MOF纳米薄片的结晶性和电子结构来增强材料法拉第电容。依次通过硼化和硫化处理后,得到稳定低价的混合价态的Co-Ni MOF衍生物(Co-Ni-B-S)。该衍生物不仅保存了原始Co-Ni MOF的结构完整性,活化后表现为部分晶态和非晶态共存的结构,有利于实现优异的电化学性能。测试结果表明:(1)活化后的Co-Ni-B-S样品在1 A g-1的电流密度下,可达到1281 F g-1的高比电容;(2)在20 A g-1的电流密度下,可达到802.9 F g-1的高比电容,具有出色的倍率性能;(3)经过10,000次循环后容量保留率可达到92.1%,表现出优良的循环性能稳定性。基于Co-Ni-B-S电极制造的储能装置在功率密度为857.7 W kg-1时表现出50.0 Wh kg-1的高能量密度,在12 A g-1下经过5000次循环,容量保持率可达到87.7%。同时,在以活性炭为负极组装的超级电容器器件的测试中,发现器件在水系电解液中可以得到1.7 V的高电压,给此材料的应用提供了更多的可能性。

该工作所制备的材料不仅具有优异的电化学性能,还可以拓展到其他相关的能量转换技术,为调控MOFs的电子结构及构建高效的电极材料提供了新思路。相关成果在线发表于Adv. Mater.(DOI: 10.1002/adma.201905744)。