近日，庞欢教授团队在V₂O₅ NWs上均匀生长的MOF复合材料改善电化学性能和机械柔性。研究了乙醇溶剂对ZIF-67表面配位模式的影响，利用Ni²⁺和Co²⁺不同的配位能力，通过金属离子交换产生了空间分离的表面活性位点。此外， 利用Ni²⁺的d⁸电子构型与ZIF-67的三维（3D）结构之间的不相容性，通过控制Ni掺杂量可控合成了中空NiCo-MOF@CoOOH@V₂O₅纳米复合材料，通过该复合材料构造的3D打印微型不对称超级电容器具有较高的面积比电容和能量密度。该研究成果发表在Advanced Materials 《先进材料》。

MOF在电化学储能系统中的直接应用受到其缓慢的化学/电化学过程以及较差的机械强度和导电性的显著限制。同时随着对小型化、智能化和便携式电子产品的需求不断增长显著增加了对微型储能设备的需求。传统超级电容器能量密度相对较低，不足以为电子设备提供持续稳定的电源。厚电极设计是一种有效的手段。然而，在传统的超级电容器中，平面电极活性材料的质量负载非常有限。传统的三维多孔电极制备方法通常昂贵且复杂，且难以精确控制电极结构。在这方面，3D打印的微型超级电容器(MSC)因其理想的功率密度和稳定性而受到越来越多的关注。然而，表面或近表面机制导致低的比能密度、比容量和工作电压阻碍了其进一步发展。与传统超级电容器类似，MSC的电荷存储性能高度依赖于电极材料的固有特性、电荷存储机制和MSC的结构。在两个电极中使用相同材料的对称间充质干细胞中，由于水分裂的影响电压窗口受到严重限制。

本文利用乙醇溶剂对材料表面结构影响以及不同金属离子的配位能力与五氧化二钒纳米线复合可控合成了空心NiCoMOF@CoOOH@V₂O₅纳米复合材料。镍离子的引入可以有效促进电子的扩散，使其表面发生快速的动态氧化还原反应，提高了电化学性能。同时具有良好电化学性能的MOF复合材料与具有一定机械柔韧性的金属氧化物纳米线复合为可打印微超级电容器的构建提供了可能。MXene作为阴极材料具有的高导电性可以有效地促进电子的转移。此外，MXene良好的机械柔韧性和表面丰富的官能团结构（羟基或末端氧）有助于3D打印电极的构建。以该MOF复合材料为正极材料和MXene为阴极材料构建的3D打印不对称超级电容器最终实现了高的面积比电容和优异能量密度。本研究中展示的溶剂/配位调谐策略为电化学储能应用的高性能纳米材料的合成以及下一代高性能3D打印电化学储能系统的开发提供了新的方向。

MOF复合材料的制备以及3D打印微型超级电容构建示意图。

文章信息：Huijie Zhou, Guoyin Zhu, Shengyang Dong, Pin Liu, Yiyao Lu, Zhen Zhou, Shuai Cao, Yizhou Zhang* and Huan Pang*, Ethanol-induced Ni²⁺-intercalated cobalt organic frameworks on vanadium pentoxide for synergistically enhancing the performance of 3D-printed micro-supercapacitors. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202211523. IF = 32.086.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202211523

TOC