隨著便攜式電子設備、電動汽車和能源存儲技術的快速發展，新的高效能源存儲設備亟待開發。非對稱超電容器(ASCs)作為最有希望的能量存儲設備之一，因以其高功率密度、快速充放電能力以及超長循環穩定性等特點得到了廣泛的關注，并已取得了重大進展。金屬有機骨架（MOF）材料由于金屬中心、配體和生長環境的多重選擇性決定了其具有多種化學成分、可調節的孔隙和有趣的形貌等特性，這些特性使其在超級電容器方面具有潛在的應用前景。與三維(3d)納米薄片相比，二維(2D) MOF納米薄片具有更高的孔隙率和表面積。同時，骨架中特定的金屬陽離子可以提供法拉第對高電容的貢獻。這些特性使MOFs系列產品在眾多超級電容器電極材料中具有優異的性能。然而，電導率低，以及電解質離子輸運性能差阻礙了它們的進一步發展。為了解決這些問題，研究者將MOFs與導電材料相結合，不僅可以提高材料的導電性，而且可以產生更大的表面積，使電解質接觸和電荷傳遞更加有效。此外，MOF經過熱處理得到多孔碳、金屬氧化物、金屬硫化物或其他復合材料，這些材料也表現出優異的電化學性能。
近日，吉林大學王策和盧曉峰教授（共同通訊作者）課題組制備了Ni-MOF納米薄片覆蓋PPAN納米纖維(PPNF@MOF)作為高效超級電容器電極。Ni-MOF納米片和多孔結構所提供的氧化還原活性位點使超級電容器表現出較高的比電容和良好的循環穩定性。當電流密度為0.5A/g時，10PPNF@MOF經過10000次循環后提供702.8F/g的比電容，展現出優異的循環性能，電容保持率100%以上。此外，研究者還采用碳化法制備了均勻多孔的鎳摻雜碳材料(CNF@Ni)。由于電荷轉移效率較高，故制備Ni樣品具有較好的速率性能，可作為理想的正極材料。此外，研究者分別用PPNF@MOF和CNF@Ni樣品作為正極和負極材料組裝了非對稱固態超級電容器，并展現出較高的能量密度和優異的電化學性能，為設計下一代具有優異電化學性能的超級電容器提供了新思路。相關研究成果以“Fabrication of two-dimensional metal-organic frameworks on electrospun nanofibers and their derived metal doped carbon nanofibers for an advanced asymmetric supercapacitor with a high energy density”為題目發表于國際著名期刊 Journal of Power Sources上。
圖 PPNF@MOF和CNF@Ni復合材料制備工藝示意圖。
圖2 (a) PPNF, (b) 10PPNF@MOF, (c) 20PPNF@MOF, (d) 30PPNF@MOF (e) MOF and (f) 500CNF@Ni 復合材料的SEM圖。
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.014
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