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pH控制组装有机磷Strandberg型团簇基配位聚合物用于提升电容器性能

注:文末有本文作者科研思路分析


多金属氧酸盐简称多酸(Polyoxometalate,POM)是由前过渡金属离子通过氧连接而形成的一类多金属氧簇化合物。多酸是一类具有优异的物理化学性质的无机功能氧簇材料,因为它们的组成多样性和结构通用性,尤其是在催化、磁性和电化学领域有着广阔的应用前景。多酸基无机-有机晶态材料的组装在配位化学和晶体工程中具有重要意义。那么,从晶体学角度出发,能否通过控制合成条件去组装更具特点的新型多酸团簇呢?近日,齐齐哈尔大学李少斌点击查看介绍团队,通过pH调控组装出五种新型有机磷Strandberg型多酸簇基配位聚合物,并应用于电化学电容器电极材料。


近年来,电化学电容器(ECs)作为一种很有前途的储能装置受到了广泛的关注。作为一种理想的电化学储能元件,POMs不仅具有较高的氧化还原能力和本征电子存储能力,而且具有良好的化学可调谐性和酸性稳定性。然而,簇基配位聚合物(CCPs)修饰的电化学电容器电极很少被报道,也没有得到深入的探索。尤其是新型有机磷Strandberg型CCPs作为电化学电容器系统的电极材料,到目前为止还没有实现。


该团队使用有机磷Strandberg型团簇基CCPs作为电化学电容器(ECS)的电极材料很好的弥补了上述缺憾。考虑到研究的系统性,通过调整体系不同的pH,选择了一个相同的反应体系(C6H5PO3H2 / Na2MoO4·2H2O / Cu(CH3COO)2 / 4,4'-bipy),成功地合成了五种新型有机磷Strandberg型CCPs。化合物1-5表现出不同的空间结构,从0D单分子结构、罕见的插指结构到开放的3D框架结构。反应pH在组装化合物1-5中起着关键的调控作用。

化合物1-5的超级电容器性能表现出优异的比电容和循环稳定性。尤其是化合物5电流密度为2 A g-1下比电容为160.9 F g-1,在电流密度为10 A g-1循环1000圈电容保持率为95.6%。值得一提的是,化合物1-5以其高电容存储、优异的循环稳定性、超快充放电和环境友好性,作为高性能储能晶态材料的基础研究,有望制备出高储能效果的超级电容器。


这一成果近期发表在Inorganic Chemistry上,文章的第一作者是齐齐哈尔大学材料科学与工程学院的硕士研究生陆博荣


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

pH-Controlled Assembly of Five New Organophosphorus Strandberg-type Cluster-based Coordination Polymers for Enhanced Electrochemical Capacitor Performance

Borong Lu, Shaobin Li, Jing Pan, Li Zhang, Jianjiao Xin, Yue Chen, Xiaoguo Tan

Inorg Chem., 2020, 59, 1702-1714, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02858


导师介绍

李少斌课题组链接

https://www.x-mol.com/groups/Li_shaobin


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:如上所述,我们的研究兴趣是组装更具特点新型的多酸团簇并应用于电化学电容器。众所周知,电化学电容器(ECs)近些年来作为一种很有前途的储能装置,但由于电极材料在电容器的应用中,不仅需要及时提供电荷,而且在有限的体积和质量范围内具有良好的电容存储容量。传统电容器在上述两种条件下并不完全满足。多金属氧酸盐(POMs)是一种优良的过渡金属阴离子团簇,是一种具有大量单一活性位点(SAS)的潜在活性配位中心,POMs具有优异的氧化还原性能、多样性和稳定性。因此我们设计组装多种新颖的多酸团簇应用于电容器中,这为绿色环保、低成本、高性能的电化学电容器的制备提供了一条理想的途径。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:本项研究最大的挑战是如何更有效的控制组装五种有机磷Strandberg型团簇基CCPs,由于水热合成的不稳定性和实验的随机性,找到优化的反应条件,以获得完整的、具有优异性能CCPs。此外,我们的团队主要研究新型多酸基框架晶态材料的设计、合成在能源领域应用研究,而这项研究属于交叉学科的研究,我们要面对电子器件方面知识储备不足的挑战,未来希望有相关领域的研究者一起合作,将实现多酸基材料在储能领域的应用。


Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?

A:该新型多酸电化学电容器具有高电容存储、优异的循环稳定性、超快充放电和环境友好性,作为高性能储能设施的基础研究和技术,可能具有很大的潜力。此外,由于其新颖的结构,为今后靶向组装新型多酸团簇并应用于电化学电容器的研究提供了有效的策略。


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