微型超级电容器用金属有机骨架/导电高分子水凝胶薄膜电极的设计、制备及电化学性能

In order to deal with the difficulty of low energy density for micro-supercapacitor, We combine macro/meso-porous structure of conducting polymer hydrogel (CPH) with micro/meso-porous structure of metal-organic frameworks (MOF) in this project. We creatively proposes to design the MOF/CPH composite film prepared from precursors “ink” through inkjet printing technology layer by layer, achieving the goal of constructing hierarchical porous structure. We will realize the control of porous structure for MOF/CPH composite film by combining the tunable structure for both of MOF and CPH with the exact controllability of inkjet printing technology. A systematic research is conducted to understand the microstructure and super-capacitance of MOF/CPH composite film electrode. On the basis of this, we clarifies the relationship between the porous structure properties of composite film and its specific capacity, rate capability and cycle life, in order to optimize high-performance MOF/CPH composite film electrode for micro-supercapacitor. All these results offer the valuable experimental and theoritical data for the development of new electrode material with high specific capacitance, high specific power, high specific energy and long-life time for micro-supercapacitor.

针对微型超级电容器能量密度低的难题，本项目拟将具有大孔/介孔结构的导电高分子水凝胶(Conducting polymer hydrogel, CPH)和具有微孔/介孔结构金属有机骨架 (Metal-organic frameworks，MOF)结合起来，创新地提出以CPH和MOF的前驱液直接以“墨水”形式，通过喷墨打印技术，层层组装出具有分级多孔结构的MOF/CPH复合薄膜。通过对MOF和CPH薄膜孔结构的调变，并结合喷墨打印工艺具有的精确可控性的特点，实现对MOF/CPH复合薄膜三维多孔结构的调控。系统研究MOF/CPH复合薄膜电极的形貌、微观结构和电化学性能，力求阐明复合薄膜电极孔结构特征对其比容量、倍率特性和循环稳定性的作用机理，优化设计出具有优越超级电容性能的MOF/CPH复合薄膜电极，为开发具有高比电容、高比功率、高比能量和高循环稳定性的微型超级电容器复合电极提供理论和实践指导。

便携式、绿色储能装置是未来储能器件的发展趋势。本项目制备出一系列用于喷墨打印制备的电极材料墨水，喷墨打印出叉指电极进行微型超级电容器（MSC）组装，主要研究结果如下：（1）选择Ni、Zn、Co、Mn等离子作为配位中心，与不同的有机配体发生自组装反应，制备出了一系列不同形貌和不同孔结构参数的MOF材料，并制备成MOF墨水。为了改善MOF薄膜电极的导电性，我们引入导电高分子PEDOT: PSS水凝胶作为墨水，与MOF墨水层层交替打印，制作成MSC用的复合薄膜电极。经电化学测试，我们发现复合薄膜电极受到MOF材料和导电高分子材料本身电容值的限制，所表现出的电化学性能不能满足MSC的需求；（2）在本项目的资助下，我们对研究工作进行扩展，为了进一步提高MSC薄膜电极的性能，将MOF与气凝胶材料复合。将微孔MOF结合到中孔气凝胶骨架网络中去，设计构筑出具有三维分级多孔结构的MOF/气凝胶复合材料。这一新的合成策略可实现电极材料三维多孔结构的调控，从而制备出具有高比容量和良好循环稳定性的电极材料。系统考察了MOF/气凝胶复合电极材料的孔结构、比表面积、表界面改性与电化学性能之间的作用关系。开发出的一系列MOF/气凝胶复合材料被验证是具有高比电容的超级电容器电极材料。（3）我们将MOF基复合材料制备成用于喷墨打印的墨水，与电解质层层打印得到了性能优良的MSC器件。由于薄膜电极材料的三维多孔结构，能够促进离子的迁移与电解质的渗透，组装出的MSC具有较好的电化学性能，为喷墨打印制作电化学储能柔性器件提供了实验依据。