西安科技大学周文英教授团队：设计金属有机框架以抑制聚合物纳米复合材料中的漏电流

第一作者：孔繁荣

通讯作者：周文英*，李博*

单位：西安科技大学，宾夕法尼亚州立大学

储能材料与器件在近年来成为了功能材料领域的研究焦点。其中，电介质储能材料因具备高功率密度、充放电速度快以及长循环寿命等优势，有望在混合动力汽车、大功率能量转换器以及大功率脉冲装置中得到广泛应用。然而，目前多数电介质电容器的储能密度（Ue）和效率（η）均处于较低水平，这制约了它们在先进电子器件领域的进一步发展。同时，太阳能转换器、航空航天动力调节系统以及井下油气勘探技术等领域的快速发展也对电力系统和电子设备提出了在高温环境下稳定运行的要求。因此，在确保电容器具有优异储能性能的同时，扩展其工作温度范围也成为了一项亟待解决的重要挑战。

基于此，西安科技大学周文英教授团队在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Engineering metal-organic framework towards suppressed leakage current in polymer nanocomposites”的研究型文章。该研究引入沸石咪唑酯金属有机框架（ZIF-11）作为PEI的填料，极大地改善了PEI在高温下的储能性能，并进一步探讨了ZIF-11提升PEI储能性能的潜在机制。

图1. ZIF-11提升PEI高温储能性能的机理示意图。

ZIF-11中有机配体与PEI分子链之间的强静电相互作用减少了自由体积，抑制了离子的迁移，而ZIF-11中金属位点固有的高电子亲和力为电子载流子引入了多重陷阱，显著降低了电子传导。

要点二：微量填料，大幅提升性能

利用上述提到的协同效应，ZIF-11/PEI复合电介质材料在超低填料含量（≤ 1 wt%）的情况下实现了漏电流的数量级降低。在150 ℃且η > 80%的条件下，复合电介质材料的最大Ue达到了5.44 J/cm³，是未改性PEI的 2.88倍。

要点三：策略可扩展性

本研究展现了基于金属有机框架（MOFs）的填料在设计和开发下一代电力电子器件用先进聚合物电介质中的变革潜力，即探索具有优化配体-金属构型的MOFs结构可以进一步扩展高性能聚合物电介质的应用范围，为其在下一代电力电子器件中的应用开辟新的途径。

Engineering metal-organic framework towards suppressed leakage current in polymer nanocomposites

周文英教授简介：西安科技大学化学与化工学院专任教师，工学博士(后)，教授，博士生导师。化学学科高分子化学与物理学术带头人、校级先进电工材料研究中心主任。科技部、工信部重点研发计划与人才项目评审专家、国家自然基金委评审专家、教育部学位中心学位论文评审专家、陕西省国防科工局评审专家。担任中国复合材料学会介电高分子材料及应用专委员会委员、导热高分子材料专委会委员、矿物复合材料专委员会委员、陕西省化学会理事。国际期刊Nanomaterials Guest Editor, Inter. J. Mater. Sci.及Inter. J. Eng. Sci.期刊编委，《包装工程》编委。入列美国斯坦福大学与Elsevier2021-2023年全球2%顶尖科学家榜单（高分子领域）。目前的研究方向主要集中在先进电工材料技术、导热、介电和储能材料。