综述在超级电容器及相关领域应用MOF材料的影响

2020-02-26 658 上传者：管理员

摘要：近年来，随着电子设备的蓬勃发展，各种可穿戴式便携式电子设备产业在市场中快速兴起。虽然各种新兴的电子设备具有很好的发展前景，但考虑到其在各种复杂功能方面的潜力，我们迫切需要可靠的高性能的能量储存装置来驱动新兴的电子产品。近年来，超级电容器已经成为了一种很有发展前景的储能器件。MOF独特的多孔3D结构使得其具有高孔隙率、大比表面积的优点，使其在过去的数年中，广泛应用到催化、储能、传感以及气体的储存与分离等方面。本文就基于这样的背景，对MOF材料在超级电容器及相关领域的应用展开了分析和研讨，以期促进电子设备产业的繁荣发展。

关键词：
MOF
储能器件
新兴电子产品
超级电容器
加入收藏

1、MOF在超级电容器方面应用

随着电子行业的发展，人们对储能材料的要求越来越高，人们越来越倾向于新型绿色环保储能装置。超级电容器不仅具有电容器的快速充放电特性和电池的储能特性，而且还具有高功率密度循环和稳定性强的优势。因此，其在能源方面具有很广阔的发展前景。

非贵重金属由于其储量较为丰富和价格低廉的优点，成为了人们研究的主要对象，其中人们对过渡金属在超级电容器方面的应用产生了浓厚的兴趣。过渡金属氧化物、氢氧化物和硫化物，他们具有良好的电化学性能，都可以在ASC中用作正极材料。与正极材料的多样化相比，负极材料较为单一，一般都使用碳材料。也有少数报道了赝电容负极材料，如V₂O₅，MoO₃，Fe₂O₃等。超级电容器负极材料是限制超级电容器发展的一个重要瓶颈。

2、MOF独特结构及相关领域应用

金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks,MOF）是近年发展的一种配位聚合物，以金属离子为连接点，通过有机配位体构成具有多孔的3D结构。

MOF成为研究热点是从20世纪末开始的，当时Nature上刊登了具有高的比表面积MOF-5结构，对气体和有机分子有很好的吸附能力。自此，MOF材料开始得到人们的关注，在催化和气体储存分离等领域都取得了许多的研究成果。MOF的多孔通道与活性位点相结合，使其具有更高的活性位点利用率，传输电解质方面具有很大优势，并且在缓解体积变化等方面也可以得到应用。大多数MOF是由廉价的第一排过渡金属（Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等）和相对廉价的有机配体组成，具有良好的发展前景。

随着研究的不断深入，传统的MOF衍生的碳材料也遇到了许多新的挑战。由于MOF的本征特性，导电性较差，得到的碳材料的孔径大小一般以微孔为主，其转移电子和质子的能力较差。在充放电过程中，一部分MOF会发生不可逆的转化，这给反应机理的研究以及活性位点的明确带来了一定的困扰。MOF通过直接碳化过程后得到的碳材料结构和形貌单一且不利于调控，并且在高温碳化的过程中，其结构不稳定，微观结构易塌陷。结构不稳定性导致的坍塌可以在气体存储方面起到作用，通过破坏客物种周围的框架来不可逆地捕获危险气体分子，预防危险气体在储存方面具有的隐患。

高比表面积使得电极材料与电解质的接触面积增加，对材料的体积能量密度和首次充放电的性能有所影响。MOF的优势也是特别明显，其可以具有多样的结构，各种中空、片层、分级和核壳等结构均有过报道，多样的结构可以满足不同的需求，使其应用范围得到了扩展。可以通过调控MOF及其衍生物材料不同的组分，对材料的稳定性以及活性位点等材料性能进行调控。

由于MOF具有无机有机的杂化特性，相比与纯无机体系或者纯有机体系更具有优势。例如，MOFs具有比有机聚合物更好的热稳定性，同时还有一定程度的机械灵活性，这是无机材料无法拥有的。利用其机械性能的优点可以应用到柔性电子或作为纳米材料用于减震等方面。通过人为地选择有机和无机成分，可以对MOF的晶体结构和化学功能进行调控，使其在气体储存和分离、化学传感、膜、催化和药物传递等方面得到广泛应用。绝大多数的MOF的研究集中在跨多个数量级的微晶尺寸组成的混合物，但是最近,为了实现均匀的纳米颗粒（NPs），人们付出了巨大的努力，从而发现了许多以前没有观察到的相关特性,如加速吸附、解吸动力学和提高生物利用度。事实上，制备均匀MOFNPs的方法对于扩展我们对MOF结构-功能关系的理解以及基于这种结构的不寻常特性的应用是至关重要的。

虽然很多纳米微晶的合成已经被报道，但如何稳定可靠地制备均匀的NPs仍是一个重大的挑战。对于不同的金属配体组合和骨架拓扑结构，MOF形成的热动力学性能可能会有很大的差异。在动力学上，相对于前驱体在溶液中的扩散速率，驱动MOFNP增长的相对弱的配位键的形成通常是缓慢的，导致了长时间的均匀化。

3、总结

MOF凭借其独特的多孔3D结构已经应用到催化、储能、传感以及气体的储存分离等方面。科研人员可以充分利用以地球上含量丰富的元素为基底合成的MOF，在此基础上通过一系列的反应，使其形成独特的结构，通过坚持不懈的研究努力，将其应用到各种方向，使其在能源和环境方面做出更大的贡献。

参考文献：

[1]朱伟伟.Zn-MOF､Co-MOF衍生多孔微纳复合材料的制备及其在能量存储与转化中的应用[D].浙江大学,2019.

[2]牛照栋,周玲玲,关清卿,等.双金属类MOF材料的制备及应用[J].化工新型材料,2019,47(08):5-8.

[3]李怡霏,陈言权,陈雪珂,等.金属有机骨架材料在超级电容器中的应用进展[J].上海工程技术大学学报,2019,33(02):97-101.

[4]芦思思.基于MOF的多孔碳纳米复合物及其电催化性能[D].青岛科技大学,2018.

[5]侯丹丹,刘大欢,阳庆元,仲崇立.金属-有机骨架材料在气体膜分离中的研究进展[J].化工进展,2015,34(08):2907-2915

王水兵,张凯.MOF材料在超级电容器及相关领域的应用[J].西部皮革,2019,41(23):115.