基于可控刻蚀的MOFs衍生纳米材料的制备及其超级电容器性能研究

Due to the features of high dispersion metal center，ultra high specific surface area and rich pore structure, metal-organic frameworks (MOFs) have been considered to be an ideal precursor for supercapacitor electrode material. This project focuses on the fabrication of nanomaterials with high surface area and excellent supercapacitor performance, through an etching process of different MOF precursors. In this work, the etching process of MOFs under different etching conditions was systematically studied to prepare the electrode material with improving supercapacitor performance. On the etching process, the large-size organic ligand would be substituted by the mini-size etching anion, and rich ion migration channel would be constructed in MOFs derived materials. Through a further design and optimization of the synthetic route, the controllable preparation of core-shell nano-structure will be realized, and the relationship between the skeleton or structural components of MOFs and the morphology or properties of derivative nanomaterials will be revealed. The preparation and application of these materials on supercapacitor will lay a solid foundation for the application of crystalline materials.

由于具有高分散的金属中心、超高的比表面积以及丰富的孔结构等特性，金属-有机框架（MOFs）被认为是一种理想的超级电容器电极材料前驱体。该项目以不同金属-有机框架（MOFs）为模板，采用溶液刻蚀法，构筑具有高比表面及优异性能的超级电容器电极材料。系统研究不同刻蚀条件下MOFs的刻蚀行为，实现室温条件下小尺寸刻蚀阴离子对MOFs骨架中大尺寸有机配体阴离子的替代过程，以期在材料内部构筑利于电解质离子迁移的通道，从而提升超级电容器材料的性能。进一步设计和优化合成路线，实现具有核壳结构的多级MOFs衍生材料的可控制备，揭示MOFs骨架和各结构组件对其衍生纳米材料形貌与性能的影响，以期为功能导向晶态材料的应用打下坚实的基础。

由于具有高分散的金属中心、超高的比表面积以及丰富的孔结构等特性，金属-有机框架（MOFs）被认为是一种理想的超级电容器电极材料前驱体。本项目针对传统煅烧策略可控性差、易团聚的缺点，采用可控刻蚀的策略，在MOFs中实现了小尺寸无机阴离子对大尺寸有机配体的原位替换过程，构筑了一系列具有丰富孔结构和超高比表面积的超级电容器电极材料。系统的探索了核簇、有机配体、壳层、刻蚀剂和溶剂等对刻蚀过程的影响，通过pH调控、核壳包覆、石墨烯限域等策略，实现了部分MOFs衍生材料的定向设计和组装，并深入揭示了各因素对MOFs衍生物结构的影响。并基于刻蚀机制的理解，将元素掺杂、量子点掺杂、异质结构筑、中空结构、多壳层组装过程引入MOFs衍生材料，调控并优化了材料的电化学性能，并揭示了MOFs衍生物材料结构与电化学性能之间的构效关系。此外，本项目还研究了杂化超级电容器器件和Zn基超级电容器器件的构筑，显著增强了超级电容器的能量密度。在本项目的资助下，共计发表基金标注的SCI论文28篇，包括国内外知名期刊：Acs Nano、Advance Science、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of the American Ceramic Society等。