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Nature Mater.：导电MOFs首次用于超级电容器活性电极
电化学双电层电容器（EDLCs）具有很高的功率密度和优越的循环性能，近年来成为研究热点，并在智能电网、电动汽车等应用领域颇具前景，甚至跃跃欲试大有要争夺传统电池的市场之态。电容器的活性电极材料以活性炭、碳纳米管、多孔石墨烯、金属氧化物/氢氧化物等为代表，具有孔隙率大、比表面积高等特点，有利于增加活性物质和溶液的接触，提升储能效率。提到比表面积高的材料，不能不想到金属有机框架（Metal Organic Frameworks，MOFs）。MOFs由多齿有机配体与金属通过络合作用而形成，具有周期性孔网络结构，因其具有大小可调的孔径、超高的比表面积、多样的骨架结构、表面可引入修饰等优点，吸引了研究人员的极大兴趣，并被广泛应用于吸附和分离、催化、金属纳米粒子的载体和模板以及微反应器等领域。然而，由于MOFs的导电性能不好，其在电化学领域的应用一直受到限制。
不过近日，美国麻省理工学院（MIT）的Mircea Dincǎ（点击查看介绍）课题组在Nature Materials杂志发表文章，首次报道了在没有添加导电剂和其他粘合剂的条件下，由导电MOFs材料制备的超级电容器的活性电极，并取得了良好的效果。（Conductive MOF electrodes for stable supercapacitors with high areal capacitance. Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4766）
照相不看镜头的Mircea Dincǎ。图片来源：Massachusetts Institute of Technology
研究者选用Ni3(HITP)2材料，因为该MOFs由共轭大π键围成，具有较高的电导率。MOFs中间具有~1.5 nm的孔，不仅可以满足超级电容器常用电解液四乙基四氟硼酸铵离子通过，还可以避免充放电过程中电极的体积膨胀造成的电极失活。
Ni3(HITP)2结构示意图，其中绿色、绿黄色、蓝色、灰色、棕色和白色小球分别代表Ni、F、N、C、B和H原子。图片来源：Nature Mater.
再来看看新材料组装的对称超级电容器性能如何。测试表明，MOFs电极的等效串联电阻仅为0.61 Ω·cm2，低于大多数报道的还原石墨烯电极（~2.5-3.6 Ω·cm2）。恒电流充放电曲线表明，在0.05 A·g-1的电流密度下，电容器比容量可以达到111 F·g-1。该MOFs的面积比容量约为18 μF·cm-2，超过大部分碳基材料。同时超级电容充放电1万次后容量损失不到10%，循环性能良好。
组装成对称超级电容器的电化学性能测试。图片来源：Nature Mater.
不同材料的比表面积和面积比电容数据对比。图片来源：Nature Mater.
研究者还录制了一个小视频，将他们组装的超级电容器用在了手摇式手电中，虽然仅仅维持电量20几秒，不过作为MOFs在电容器中的首次应用，其探索意义更加重要。
视频来源：Nature Mater.
小希注：
在写这篇文章的时候，偶然又看到JACS上刚刚接收了Mircea Dincǎ课题组的一篇关于导电MOFs的文章（Measuring and Reporting Electrical Conductivity in Metal-Organic Frameworks: Cd2(TTFTB) as a Case Study. J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b09345），估计不久还能看到导电MOFs用在其他电化学领域应用的报道，让我们拭目以待。
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4766.html
（本文由小希供稿）