Small Structures:调控MOF的电子结构并应用于高性能微型超级电容器

近些年来,MOF材料因其独特的物理化学性质,如高孔隙率、结构可调以及丰富的活性位点等,引起了研究者们的极大兴趣,这些特点同时也使其在能源存储方面展现出巨大的应用潜力。然而传统MOF材料的导电性能差,会导致材料的多孔结构以及活性位点无法得到充分的反应与利用,制约了其在能源领域的应用发展。随后人们开始致力于提高MOF材料的导电性,一方面将其与导电炭黑粘结剂共混制成复合电极,但是这种方法无法提高MOF的本征导电率,而且还会降低其可利用的比表面积;另一方面着力于导电MOF的开发和制备,虽然取得了一些进展,但是得到的导电MOF种类较少且合成困难,同样也制约了这类材料的进一步应用。所以,开发简单高效的方法来制备具有高导电性的MOF薄膜材料对于其在能源存储方面的应用显得尤为重要。

德国德累斯顿工业大学冯新亮教授课题组报道了一种新颖高效的分子掺杂方法来改进MOF薄膜材料的导电性。Cu3(BTC)2被选为模型MOF材料,将其原位生长在铜箔表面,随后置于不同的受体分子(TCNQ、BQ、PMDI)溶液中一段时间,由于受体分子的直径小于Cu3(BTC)2的孔径,并且受体分子上的功能基团可以与Cu3(BTC)2框架中的金属原子发生配位作用,因此可以实现受体分子对Cu3(BTC)2的有效掺杂,这也在材料的结构和物理表征中得以验证。经过TCNQ掺杂的Cu3(BTC)2薄膜的导电性提高了约四十倍,这是因为这两者之间发生电子转移使得Cu3(BTC)2的带隙变窄,理论计算也证实了此种解释。最后将掺杂后的Cu3(BTC)2薄膜作为负极材料,活性炭作为正极材料,组装了柔性非对称微型超级电容器。测试表明,得益于电极材料导电性的提升,所制备的微型超级电容器具有95.1 mF cm-2的面电容,远高于已报道过的器件性能,而且经过5000 次循环,容量还能保持94.1%。器件电学性能的提升证实了分子掺杂方法可以有效地调控MOF材料的电子性质并有效地改善材料的导电性,从而进一步促进其在能源存储领域的应用。

研究者相信,此项研究将会为有机框架多孔材料的电子结构调控提供新的思路,为其能源存储与转换的应用注入新的活力。相关论文在线发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000095) 上。