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简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

超级电容器作为新型的电容器,具备能够快速充放电的能力,而其电极材料对于器件的性能起到了决定性作用,要提升超级电容器性能的关键在于提升电极材料的比表面积大小,由于MOF具有高度可控的结构同时能够产生多孔形貌,因此成为了超级电容器电极的理想材料。然而,制约MOF在超级电容器中发展的关键问题是MOF的导电性较差,在实际的应用中研究者需要将MOF进一步纳米化以解决其导电性问题。最近,扬州大学庞欢教授课题组通过溶剂热法成功合成了新颖的棒状钒金属有机框架材料,当其用于水系和固态超级电容器电极材料方面时,均展现出优异的电化学性能。该论文发表在国际顶级期刊Small上(影响因子:9.598),严延博士和本科生骆雨晴为该论文的共同第一作者。

 

棒状钒金属有机框架材料(VIV-MOFs),三电极条件下,在0.51.02.05.010.0 A/g的电流密度下测试充放电性能,计算得到的比电容分别为572.5520.8516.5505.3 495.1F/g,说明该电极材料的倍率性能较好。同时该电极材料在经历了10000次循环后,电容仍保持初始值的92.8%

简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

1. 样品的结构及形貌表征图:(a) XRD图,(b-e) 晶胞图,(f) SEM照片,(g) TEM照片,(h-k) EDS-mapping图。

简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

2. 样品的XPS谱:(a) 全谱,(b) V 2p

简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

3. (a) 棒状VIV-MOFs电极的循环伏安曲线,扫描范围是0-1.0V,扫速为5-100mV/s(b) 棒状VIV-MOFs的恒流充放电曲线,电流密度为0.5-10.0A/g(c) 通过恒流充放电曲线计算得到的电流密度为0.5-10.0A/g的比电容,(d) 电流密度为1.0A/g经过10000次充放电的循环稳定曲线。

 

进一步评估棒状VIV-MOFs电极的应用潜力,研究者以棒状VIV-MOFs为正极材料,活性炭(AC)为负极材料,1.0M Na2SO4溶液为电极液组装了一个水系非对称超级电容器(VIV-MOFs//AC器件并对其进行了电化学测试,发现其最大电压窗口可达1.6V。在0.512510A/g的电流密度下测试其充放电性能,计算得到的比电容分别为131.6125.3119.4110.103.1F/g,说明该器件的倍率性能较好。该器件在1A/g的电流密度下进行10000次充放电测试,其电容保持率可达92.1%

简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

4. VIV-MOFs//AC水系非对称超级电容器:(a) 50mV/s扫描速度下的不同电压窗口的CV曲线图,(b) 流密度为1A/g时不同电压窗口的恒流充放电曲线,(c) CV曲线,扫速为5-100mV/s(d) GCD曲线,电流密度为0.5-10A/g(e) GCD曲线计算得到的不同电流密度下的比电容,(f) 循环稳定性测试,电流密度为1A/g

简易合成钒金属有机框架用于高性能超级电容器

5. VIV-MOFs//AC固态非对称超级电容器:(a) 50mV/s扫描速度下的不同电压窗口的CV曲线图,(b) CV曲线,扫速为5-100mV/s(c) GCD曲线,电流密度为0.5-10mA/cm2(d) GCD曲线计算得到的不同电流密度下的比电容,(e) 循环稳定性测试,电流密度为1mA/cm2(f) Ragone图。

 

随后,研究者用棒状VIV-MOFs作为正极材料,市售活性炭作为负极材料,PVA/Na2SO4凝胶为电解质构筑了VIV-MOFs//ACs固态非对称超级电容器。在0.512510mA/cm2的电流密度下测试该器件的充放电性能,计算得到的比电容分别为146.5122.8106.692.878.1mF/cm2。对该器件在1mA/cm2的电流密度下进行10000次充放电测试,发现其电容保持率可达93.6%。从VIV-MOFs//ACs固态非对称超级电容器的Ragone图中可以发现其最大能量密度可达6.72mWh/cm3,优于许多之前报道过的超级电容器。

 

材料制备过程

棒状钒金属有机框架:称取0.32g对苯二甲酸,0.43g硫酸氧钒,随后将它们溶解在20mL DMF中,充分搅拌1小时,随后将混合溶液转移至50mL水热釜中,在160℃下反应72小时,溶液中出现黄色沉淀,将沉淀用甲醇多次洗涤,在80℃下真空干燥24小时得到产物。

Yan Yan, Yuqing Luo, Jingyi Ma, Bing Li, HuaiguoXue, Huan Pang*, Facile Synthesis of Vanadium MetalOrganic Frameworks for HighPerformance Supercapacitors, Small, 14 (2018), 1801815, DOI:10.1002/smll.201801815

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