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合肥研究院金屬有機(jī)骨架衍生材料的電化學(xué)應(yīng)用研究獲進(jìn)展

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合肥研究院金屬有機(jī)骨架衍生材料的電化學(xué)應(yīng)用研究獲進(jìn)展

摘要: 　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院固體物理學(xué)習(xí)所環(huán)境與能源納米材料中心在高性能超級電容器與電催化電極材料的構(gòu)筑及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果以全文形式在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. ...

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院固體物理學(xué)習(xí)所環(huán)境與能源納米材料中心在高性能超級電容器與電催化電極材料的構(gòu)筑及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果以全文形式在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 5， 9873-9881 (2017))，Inorganic Chemistry Frontiers (Inorg. Chem. Front. 4， 491-498 (2017)和Applied Surface Science (Appl. Surf. Sci. 392， 402-409 (2017))上發(fā)表。
　　金屬有機(jī)骨架材料（MOFs，metal-organic frameworks）通常是指含氮/氧等元素的有機(jī)配體與金屬離子通過自組裝過程形成的化合物，具有超高比表面、組分豐富、孔道結(jié)構(gòu)易調(diào)和含大量不飽和配位點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與存儲領(lǐng)域的學(xué)習(xí)熱點(diǎn)。但MOFs材料較差的導(dǎo)電性和其在水溶液中應(yīng)用的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了其電化學(xué)應(yīng)用性能不佳。近年來，人們發(fā)展了多種方法以期獲得導(dǎo)電性與穩(wěn)定性更優(yōu)異的MOFs及其衍生材料，如：將MOFs與具有高導(dǎo)電能力的高分子聚合物與石墨烯、碳納米管等進(jìn)行復(fù)合，對MOFs表面進(jìn)行化學(xué)修飾，使用具有多個苯環(huán)平面共軛結(jié)構(gòu)的配體，以及直接高溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化為相應(yīng)碳基材料等。MOFs通過高溫?zé)徇�原能一步獲得具有高電化學(xué)活性和高導(dǎo)電能力的金屬/氧化物/碳化物/氮化物多孔碳復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且使S、N等元素的原位摻雜成為可能，再加上合成過程中組分和結(jié)構(gòu)的易調(diào)性，MOFs已成為制備非貴金屬/多孔碳復(fù)合電極材料的理想前驅(qū)體。
　　綜上所述，學(xué)習(xí)人員利用鈷、鎳兩種金屬鹽與分別含S、N的兩種配體在室溫下合成了二維片狀Co/Ni雙金屬M(fèi)OFs材料，再利用Co/Ni MOFs材料作為模板，通過熱解還原獲得超細(xì)的CoNi合金納米顆粒負(fù)載的S、N共摻雜多孔石墨碳復(fù)合材料。學(xué)習(xí)表明，采用此種方法構(gòu)筑的復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力和高電容存儲能力，且具有很好的循環(huán)性能，如圖1所示。該復(fù)合材料既保留了MOFs前驅(qū)體的二維結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積和均勻分散的活性位點(diǎn)，超細(xì)的CoNi合金納米顆粒與多孔石墨碳又可作為電子集流體增加材料的導(dǎo)電性。類似地，科研人員還發(fā)展了S、N共摻雜的Co-MOFs納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步熱解獲得Co9S8/S、N摻雜多孔碳復(fù)合材料，該材料作為氧反應(yīng)電催化劑和電容器電極材料展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用性能，如圖2。
　　此外，學(xué)習(xí)人員用鈷鹽作為金屬源，均苯三甲酸作為有機(jī)配體，三乙胺加速金屬離子與有機(jī)配體的配位并提供氮源，在水熱條件下大規(guī)模制備了宏觀尺寸Co-MOFs材料，再通過一步熱解后獲得單質(zhì)Co納米顆粒與N摻雜多孔石墨碳的復(fù)合物，在電催化水分解產(chǎn)氧與氧還原方面表面出較高的電化學(xué)催化活性，如圖3。
　　上述學(xué)習(xí)成果對高性能能量轉(zhuǎn)換與存儲材料的設(shè)計(jì)、大規(guī)模制備及其應(yīng)用具有重要意義。
　　該工作得到中科院百人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和國際創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。



　　圖1.(a) Co/Ni雙金屬M(fèi)OFs及其衍生材料的形貌及成分表征；(b) 電容器性能測試及應(yīng)用穩(wěn)定性。



　　圖2. (a) S、N包含鈷-MOFs形貌及結(jié)構(gòu)表征；(b) 氧催化反應(yīng)性能及應(yīng)用穩(wěn)定性；(c) 電容器性能測試及應(yīng)用穩(wěn)定性。



　　圖3. (a) Co-MOFs及其熱解產(chǎn)物的形貌及結(jié)構(gòu)表征；(b) 所制備材料的電催化性能測試。合肥研究院金屬有機(jī)骨架衍生材料的電化學(xué)應(yīng)用研究獲進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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