史发年教授，史洪威研究员，CEJ观点：可控一步制备MOF/PANI导电高分子的异质结构优化提高超级电容器性能- 大数跨境

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史发年教授，史洪威研究员，CEJ观点：可控一步制备MOF/PANI导电高分子的异质结构优化提高超级电容器性能

科学材料站

2021-07-08

导读：该论文研究了导电聚合物PANI与MCe-MOFs (M=Cu and Zn)复合材料作为超级电容器电极的优异电化学性能，同时研发组装了电池型混合电容器器件对OLED灯进行点亮。

文章信息

可控一步制备MOF/PANI导电高分子的异质结构优化提高超级电容器性能

第一作者：孙平平

通讯作者：史发年

单位：沈阳工业大学，中科院金属研究所

研究背景

超级电容器是一种具有超高功率密度和超长循环寿命的绿色储能装置，但在实际应用中存在能量密度低的缺点。因此，研发高能量密度的电极材料成为提高超级电容器电化学性能的重要手段。

金属有机框架结构（MOF）是一种新兴的晶态材料，以其具有孔道丰富，结构可调，比表面积大，含有丰富的赝电容氧化还原中心等优点，使其成为极具前景的超级电容器的电极材料。

但是MOF结构的稳定性，和导电性差是其致命的缺点，本文针对MOF结构不稳定的缺点设计一种3d-4f双金属结构，并且电镀PANI改善导电性差的缺点。实验证明，经过设计改性的MOF具有良好的电化学性能。极大增加了MOF电极材料的实际应用可能性。

文章简介

近日，沈阳工业大学的史发年教授与沈阳金属所的史洪威研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Controllable one step electrochemical synthesis of PANI encapsulating 3d-4f bimetal MOFs heterostructures as electrode materials for high-performance supercapacitors”的文章。

该论文研究了导电聚合物PANI与MCe-MOFs (M=Cu and Zn)复合材料作为超级电容器电极的优异电化学性能，同时研发组装了电池型混合电容器器件对OLED灯进行点亮。

图1. 水热设计制备的MCe-MOFs可控负载导电PANI组装超级电容器器件

本文要点

要点一：3d-4f MOF做超级电容器的电极材料

3d过渡金属具有较多的价态，易于发生氧化还原反应，从而提供更多的比电容。而4f金属化学性质稳定，在电化学过程中不发生氧化还原反应，从而搭建了一个相对稳定的骨架，保证电化学反应过程中结构的稳定性。

而所形成的三维骨架结构具有较大比表面积，和较好的结构稳定性，这不仅为离子和电子的迁移提供更多的传输路径，也更易于离子和电子的传导。

要点二：导电聚合物包覆

导电聚合物作为超级电容器的电极材料具有成本低，充放电时间短，环境友好，安全性高的特点。不仅如此，更重要的是能改善MOF导电性差的缺点。

通过三电极体系原位电镀包覆导电聚合物PANI(导电聚苯胺)，通过控制电镀时间来调节导电聚合物的包覆厚度，再结合MOF的电化学性能，找到一个平衡点，实现1+1>2的协同作用。

要点三：电池型混合电容器

利用纽扣电池壳封闭性好的特点，完成由三电极体系向两电极体系转化的过程，实现液态体系下的电容器器件组装，实验表明用活性炭作负极组装成的电池型混合电容器具有较高的能量密度和功率密度，并且在实际生活中，可以为一些微小电气元件供电，进一步增加其实际应用的可能性。

要点四：前瞻

当前，对于MOF做超级电容器的电极材料的研究还是很有限的。MOF的结构不同，其反应机理也不同。对于MOF电极材料机理研究是未来研究的一个潜在方向。非原位的表征手段很难保证电极材料不受水和氧气的影响。

因此原位XRD和TEM在本研究方向有广阔的应用前景。除此之外，理论计算可以得到更多假设和推导的结果，对未来的研究有指导作用，同时也需要设计实验来进一步验证。了解MOF的缺点，并能针对这些缺点进行有目的的改性，可以得到更好的电化学性能，从而早日实现MOF材料的实际应用。

文章链接

Controllable one step electrochemical synthesis of PANI encapsulating 3d-4f bimetal MOFs heterostructures as electrode materials for high-performance supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130836

通讯作者介绍

史发年，博士，沈阳工业大学教授，博士生导师，中国能源学会能源与环境专业委员会委员，全国材料新技术发展研究会第一届理事会常务理事。

1991-1996年于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室攻读硕士学位并直博；1996-2001年先后在南京大学配位化学国家重点实验室从事博士后研究、南京师范大学从事教学（副教授）工作；2001-2014年在葡萄牙阿威罗大学化学系作博士后和研究员。目前主要研究方向包括：金属配合物材料设计与结构优化、复合材料、锂离子电池材料、光催化剂、吸波材料等的设计与改性。共发表学术论文140余篇，其中SCI收录论文120余篇，包括国际重要期刊Journal of The American Chemical Society、ChemComm、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等。主持国家自然科学基金面上项目、辽宁省教育厅重点项目等。作为大会主席于2019年9月份在沈阳工业大学成功举办新材料国际会议（NMS-XV IUPAC）。

第一作者介绍

孙平平，沈阳工业大学博士在读。

主要研究方向是金属有机框架结构的合成及其在储能器件上的应用。以第一作者在Chemical Engineering Journal, Journal of Alloys and Compounds等国际期刊发表多篇论文，累计影响因子超过20.