近日，我校化學與環境工程學院劉倩課題組在新型超級電容器材料研發其應用方面取得重要研究進展，相關成果以“A Cobalt-Based Metal-Organic Framework Nanosheet as the Electrode for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”為題發表于國際頂尖期刊《Advanced Science》(中科院1區TOP期刊，IF=17.521)。hv鸿运网页版為第一通訊單位，通訊作者為劉倩副教授和黃維揚教授，第二作者為2020級化學專業碩士研究生郭增琦。該研究成果已被Advanced Science News和今日頭條相繼報道。
課題組為解決微觀結構不可控和和形貌不均勻對材料電化學性能的影響，采用液/液界面法合成一種二維钴基MOF納米片材料Co-BTB-LB，并作為正極材料應用于非對稱超級電容器，展現出較高的氧化還原活性位利用率、良好的電化學穩定性和優良的儲能性質。在提高能量密度和功率密度方面具有顯著優勢，對未來可持續能源技術的發展提供了一個新的策略和理論依據(Adv. Sci.2023, 2207545, http://doi.org/10.1002/advs.202207545)。
圖1二維MOF納米片Co-BTB-LB結構示意圖。
圖2 (a) 二維MOF納米片Co-BTB-LB的合成方法示意圖；(b) 二維MOF納米片Co-BTB-LB的HRTEM圖；(c) 本工作與其他有報道的非對稱超級電容器材料的能量密度和功率密度比較圖；(d) 非對稱超級電容器在電流密度為10 A·g−1時的循環穩定性測試。插圖：非對稱超級電容器設備點亮發光二極管的示意圖。
由于超級電容器的能量密度極大程度上取決于電極材料的形态、尺寸和微觀結構，因此可控合成出具有均勻形貌和适當微觀結構的二維 MOF材料對于提高其作為電極的電化學性能至關重要。本研究中采用可控的液/液界面法合成的二維钴基MOF納米片Co-BTB-LB具有良好的結構穩定性、理想的有序納米孔和層間距，使得這種電極表現出了優異電容量(4969.3 F·g1@1 A·g1)和良好的循環穩定性，1000次循環後電容保持率為75%。研制的非對稱超級電容器采用Co-BTB-LB作為正電極、活性炭(AC)作為負電極，兩種電極材料的協同作用使得該超級電容器在應用電壓達到1.6 V時，能量密度高達150.2 Wh·kg1，優于絕大部分文獻報道的非對稱超級電容器。同時該非對稱超級電容器在功率密度方面的表現同樣出色。由于采用的正極材料Co-BTB-LB具有豐富的活性位點，使其具備了快速離子傳輸和電子傳導的能力，最終電容器的最高功率密度達到了8003.3 kW·kg1，遠超傳統锂離子電池。此外該超級電容器還展現出了優良的循環穩定性，在進行10000次的充放電測試以後，電容保持率為97.1%。
這種非對稱超級電容器在可持續能源領域具有廣泛的應用潛力。例如其高功率密度特性使其成為太陽能和風能發電系統中短時儲能的理想選擇；同時還可應用于新能源電動汽車，提供瞬時高功率輸出以實現快速加速的同時縮短充電時間。研究者相信随着這項技術的不斷完善和推廣，有望為解決全球能源問題和減緩氣候變化做出貢獻。
（文/圖：劉倩；審核：徐大勇）