Small Structures:铁系MOFs电极材料用于超级电容器最新进展

研究背景:金属有机框架(MOFs)是一种结构良好的结晶和多孔配位网络,由金属离子/簇与分子构件组装而成。MOFs具有灵活、结构可调和多孔框架的独特优点,允许客体分子/离子轻松扩散到高度结晶的网络中,从而改善主客体相互作用。在过去的十年中,越来越多的MOFs被直接选作活性电极材料,应用于超级电容器(SCs)领域中,尤其是出现了电导率超过了常见的碳基材料的导电MOFs,更是推动了MOFs基超级电容器的空前发展,π共轭体系在SCs领域表现出前所未有的关注度。在众多MOFs基电极中,其分支铁系金属基(Iron-series metal,包括Fe、Co和Ni三种元素,它们的价电子结构为3d6-84s2,通常具有相似的性质)MOFs,作为电极材料在SCs中被研究的最为广泛(图1)。原因主要有两个,一是与其他金属相比,这三种元素资源丰富且价格便宜。二是由Fe、Co和Ni金属中心组装而成的MOFs基材料通常具有丰富的电化学氧化还原位点。含铁、钴和镍元素的MOFs是在SCs领域应用的良好候选者,其性能可以与通常使用的无机活性成分相媲美,如原始碳基材料、金属氧化物/硫化物/ 氢氧化物和各种导电聚合物等。

鉴于 MOFs中孔隙率对电荷传输的重要性,需要对其设计、制备方法和工程技术进行必要的评估,以进一步探索和优化SCs。通过赋能导电骨架和氧化还原活性中心,铁系MOFs基电极近期取得了显著成果。虽然铁系MOFs基电极材料的报道较多,但研究仍主要集中在提高性能上,而忽略了对机理和结构变化上的探索。此外,基于MOFs的SCs电极,目前仍难以立即应用于我们的日常生活,尽管MOFs亦已在工业上制造,例如BASF(也称为 BASOLITE)已通过Aldrich公司商业化。经过文献调研,MOFs在SCs中的应用仍然受到两个主要因素的限制:1)MOFs基材料价格昂贵;2)MOFs的导热性和稳定性较弱。

南京农业大学汪快兵教授、香港城市大学张其春教授等系统综述了用于SCs的含铁系列MOFs基材料,括纯Fe-MOFs、Fe基MOFs的衍生材料、纯Co或Ni基MOFs以及多元金属复合的MOFs复合材料的最新研究进展。

图 1用于 SCs 的 Fe 系MOF 电极的时间表。

图 2课题组已报道的用于SCs领域的Fe系MOFs电极材料。a) [Fe(TATB)(p/m-bib)]电极的结构转变;b) [Co(HTATB)(m-bib)]电极的电化学性能。c) [Co(HTATB)(dib)]•2H2O电极的电化学性能。d) NiFRS的晶体结构和NiFRS//AC器件的循环性能和LED演示。

作者们首先综述了Fe基MOFs的最新进展(图2),讨论了设计策略、复合原因、引入杂原子的策略以及目前在结构改变机制上的分歧。 还前瞻性地讨论了潜在的瓶颈问题和应对策略,以指导未来的优化。总之,MOF基SCs电极的研究仍不够成熟,更不用说MOF的分支铁系MOFs。若出现的问题得到妥善解决,各种具有卓越性能和商业潜力的铁系MOF基电极材料,将有望成为日常生活中不可或缺的可穿戴电子产品。

论文信息:

Metal–Organic Frameworks Constructed from Iron-Series Elements for Supercapacitors

Kuaibing Wang*, Yuxuan Guo, Qichun Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100115

原文链接: https://doi.org/10.1002/sstr.202100115