韩国庆熙大学：双层结构三元MOF构建高能量密度超级电容电池

1. 基于氧化还原化学的Ni-Co-Mn (NCM)基MOF纳米材料被用作电池电极。

2. NCM基MOF表现出较高的面积容量和良好的循环稳定性。

3. 所制造的混合超级电容电池显示出1.21 mWh cm⁻²高能量密度和32.49 mW cm⁻²的功率密度。

韩国庆熙大学Jae Su Yu教授等在本文中通过极性诱导溶液相的方法，探索了一种新型的无粘结剂双层镍钴锰基MOFs (NCM基MOFs)，其在二维结构上有三维纳米结构(3D on 2D结构)。在镍泡沫上生长的双层NCM基MOFs表现出电池型电荷存储机制，具有出色的面积容量(5 mA cm⁻²下为1311.4 μAh cm⁻²)，良好的倍率能力(61.8％; 50 mA cm⁻²下为811.67 μAh cm⁻²)，并以及出色的循环稳定性。双层纳米结构具有更多的活性位点，以及多种金属客体元素优异的氧化还原性能的协同作用使NCM基MOFs拥有了优异的电荷存储特性。

如图3a所示，NCM基MOF生长后泡沫镍的颜色明显变为深绿色。图3b为NCM基MOF/泡沫镍电极的的XRD图，XRD中的峰与NCM基MOF的存在有关，并且与先前报道的三金属MOFs相似。FTIR光谱(图3c)显示，在3000-3590 cm⁻¹处的宽峰与-OH基的伸缩振动有关，~545 cm⁻¹处出现的吸收带对应于金属-氧键的伸缩振动。XPS光谱(图3d)显示了Ni 2p，Co 2p，Mn 2p，O 1s和C 1s的特征峰，这些结果与EDX谱一致。

图4. (a) 在不同扫描速率下测得的NCM基MOF-5电极的CV曲线，(b) 氧化和还原峰值电流与扫描速率的对数关系。(c) v1/2与i/v1/2的关系图。(d) 在各种扫描速率下分析的NCM基MOF-5电极的电容(橙色)和扩散控制(青色)电流贡献。b中的插图显示了氧化还原峰值电流与扫描速率平方根的线性关系。

图5a-c比较了不同生长时间对NCM基MOFs的电化学性能的影响，从GCD曲线可以看出双层结构的NCM基MOF-5表现出更长的充放电时间，证明其拥有的出色容量。NCM基MOF-5由3D on 2D纳米结构组成，2D纳米片不仅增强了氧化还原活性位点，而且还充当了消除界面电阻的电子快速通路。从图5e可以看出NCM基MOF-5材料具有优异的循环稳定性。循环后电极材料的EDX图像(图5g)表明，即使在循环测试后，NCM基MOF显示出很强的耐久性。XPS光谱进一步证实了样品循环前后样品中所述所有元素的存在。