配体工程化MOF衍生复合材料用于铝空气电池与非对称超级电容器的双能量存储

随着当时能源转型及太阳能、风能等可再生能源的日益开发，人们对发展储能设备的爱好与日俱增。这种爱好源于促进系统整合和削减对化石燃料依赖的需求。在商业层面，锂离子电池因其高比能量（200–250 Wh/kg）和高比功率（<10000 W/kg）而得到最广泛运用。−1文章预览−1)[1,2]。然而，储能运用对锂资源需求的持续增长将导致该资源枯竭，这推动了对代替性电池体系的研讨。
在储能设备的运用中，金属-空气电池因其由金属阳极（如锂、锌或铝）构成并使用大气中的氧气作为氧化剂而备受重视。这种组合办法能以低于传统电池的本钱完成更高的能量密度。其间，铝-空气电池凭仗其5779 Wh kg⁻¹的理论比能量和电压优势尤为突出。−1电压分别为1.5V和2.7V。虽然这是一次性运用的原电池，但该装置在应急备用电源、军事、水下运用及便携式装备等多范畴具有明显运用价值[3,4]。此外，铝是地壳中含量最丰厚的金属元素（重量占比达8.1%），其储量位列所有元素第三位，这使得铝基电池相较其他金属体系更具经济性优势[3,5]。
另一方面，赝电容器属于电池与电容器之间的中心类别，其经过发生在电极表面或近表面的快速可逆法拉第反响来存储能量[6]。赝电容器具有高比功率密度、长循环寿数和高电容的特性，因此被广泛运用于电子设备、国防、轿车及通讯技能等范畴[7]。
在这两类储能设备中，提高功用的资料研制均处于积极探索阶段。关于铝空气电池而言，需要高效电催化剂来促进氧复原反响（ORR）——该反响因涉及多电子搬运步骤及中心产物形成而导致动力学迟缓；而超级电容器的研讨重点则集中于经过表面受限氧化复原进程来添加储存电荷的资料。整体而言，资料开发的目标是完成经济可行性、具备足够孔隙率以露出活性位点（反响发生处）、拥有电荷载流子传输所需的电子导电性，并兼具化学与电化学稳定性[[8], [9], [10]]。
整体而言，这两种运用中运用的资料可分为三大类：碳基资料[[10], [11], [12]]、过渡金属氧化物[[13], [14], [15], [16]]和导电聚合物[[17], [18], [19]]。最广泛运用的碳基资料是石墨、石墨烯和活性炭，它们具有高导电性、导热性和多孔性，但化学惰性且缺乏提高资料电容的氧化复原进程[10]。相比之下，过渡金属氧化物能供给催化反响的金属活性中心，并可能经过本征或外因表现出赝电容行为[[20], [21], [22]]，但其耐久性、导电性和柔韧性较差。这促使包含复合资料在内的新型资料研制成为解决两者缺陷、完成协同效应以增强优势的代替计划[9,14,23]。
MOF衍生资料是获取这些复合资料的适合策略，其使用金属中心供给的多孔结构和活性位点，并以MOFs作为模板。研讨者已探索了多种润饰办法，包含经过生长层状双氢氧化物来转化MOFs，以及将其与二次电化学活性资料复合[24,25]。此外，退火、蚀刻、等离子体辐照和热解等后处理办法可促进空位形成，从而调控电子结构并增强其在储能运用中的功用[26,27]。例如，Poudel等报道了由LDH模板衍生的吡啶氮独占富集的碳纳米管包裹镍铁（NiFe）界面合金纳米颗粒，该资料以织造碳纤维布为载体，作为锌空气电池的双功用氧催化剂，在10 mA cm−2173 mV的过电位和0.87 V的半波电位用于氧复原反响(ORR)。该锌空气电池表现出153 mW cm^-2的高功率密度−2以及优异的稳定性[28]。
经过热解取得的MOF衍生资料具有碳质结构，该结构供给导电性，同时其金属中心可以促进快速氧化复原反响，从而提高资料的容量与反响动力学功用[29,30]。得益于高比表面积、可控孔隙率和优异导电性，这些资料在电催化、燃料费分离、污染物去除及传感等范畴展现出巨大运用潜力[31,32]。该类资料的可调变性使其可以经过合成进程中配体与中心金属的挑选来完成功用调控，这一特性对其终究功用具有决定性效果。
在MOF合成中作为金属中心运用的各种金属中，过渡金属的运用最为遍及，其间锰基资料表现出270 F g−1的电容功用2@3D-石墨烯网络MOF衍生资料[33]，以及Co,N-C NS-800C MOF衍生资料在氧复原反响(ORR)中表现出的0.94 V半波电位[34]。研讨表明，这些结构中的锰以多种氧化态（4+、3+和2+）存在，不仅能促进高效电子搬运并优化氧中心体的结合——这是反响中的关键步骤，还具有储量丰厚、低毒性及多样化氧化复原化学特性等优势[35]。另一方面，虽然铁自身催化活性较低，但当与其他过渡金属复合运用时，资料功用明显提高。这是由于铁能产生协同效应，改动MOF的电子密度分布（特别是在活性位点处）[36,37]。在金属-空气电池范畴，有研讨报道MOF衍生的Fe-Se-C资料在10 mA cm3该催化剂表现出359 mV的起始电位和0.77 V的半波电位（用于氧复原反响），并且根据密度泛函理论（DFT）[38]研讨，由于导电性和电子结构的改变，其在锌空气电池中展现出优异功用。−2) of 359 mV and a half-wave potential of 0.77 V for ORR, and to show good results in a zinc-air battery due to changes in conductivity and electronic structure, according to DFT [38].