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超级电容器作为一种能量储存设备,因其具有高功率密度、快速充放电速率、长使用寿命和良好的电化学可逆性等优点,已被广泛应用于可穿戴电子产品、电子通讯设备、电驱动机械、备用电源、工业能源/电源管理设备以及航空航天等领域。金属有机化合物(尤其是具有丰富氧化还原价态以及多样化配位方式的第一过渡周期金属元素化合物)是一种法拉第赝电容器电极材料,因其金属离子能在电极与电解液界面处发生可逆的氧化还原反应而具备赝电容特性。与其他法拉第赝电容器电极材料相比,金属有机化合物具有许多优点:(1)相对于无机化合物,金属有机化合物结构多样且可通过改变配体从而达到对电容器性质修饰调节的目的;(2)相对于有机化合物,金属有机化合物较其多出的金属中心能够引致额外的氧化还原反应,从而大幅提高电极材料的电容值。金属有机框架材料是一种最典型也最多报道的金属配位聚合物,在电化学领域的应用十分广泛。

香港理工大学黄维扬教授团队总结了近十年来第一过渡周期金属元素有机化合物作为电极材料的超级电容器报道。除了聚焦于金属有机框架材料,还涵括了容易被忽略的金属有机小分子和聚合物。通过配体分子结构以及多配位的金属中心的设计,金属有机化合物具有多孔和平面电子共轭等结构特点,从而呈现出高表面积和导电增强等特性。因此,经精心设计的金属有机化合物能够同时具备电化学双层电容器和法拉第赝电容器电极材料的特点,以至于能直接用于复合超级电容器的电极材料,并展现出理想的电存储性能。本文按照金属元素Mn、Co、Ni、Cu、Zn、和其它少量的V、Cr和Fe以及它们双金属组合的顺序,详尽回顾了自2012年以来这类金属有机化合物作为超级电容器电极材料的报道。详尽展现了其金属中心、配体种类以及其复合材料,并结合所报道的比表面积分别呈现出相关电极材料的电极性能(于三电极体系之中)和器件性能(于二电极体系之中):比电容值及其测试条件,循环充放电稳定及其测试条件,电解质溶液/胶体信息,设备构造以及设备能量/功率密度。在此基础上,全面总结了关于目前金属有机化合物作为超级电容器电极材料的瓶颈所在,并提出了对该类物质未来研究方向/研究方法的展望。

文章以“Supercapacitor electrodes based on metal-organic compounds from the first transition metal series”为题,发表在EcoMat上,第一作者为香港理工大学博士生陈布霖,通讯作者为香港理工大学黄维扬教授。

论文信息

Bulin Chen, Linli Xu, Zhiyuan Xie, Wai-Yeung Wong*, Supercapacitor electrodes based on metal-organic compounds from the first transition metal seriesEcoMat, 2021, 1-54, DOI: 10.1002/eom2.12106

原文链接:https://doi.org/10.1002/eom2.12106