新型多孔金属-有机骨架的结构调控及其电容性能研究

Porous metal-organic frameworks (MOFs) possess promising application future in a new class of energy storage materials with enormous internal surface areas, adjustable pore sizes, and abundant topological framework; however, the application research of MOFs as supercapacitor electrode materials is in the just beginning stage. This proposal is expected to construct series of novel porous MOFs base on rigid pyridine carboxylic acid ligands with different size and variable-valence transition metal ions with specific function and configuration under the control of synthetic condition. We will investigate the porosity and capacitive performance of the target MOFs materials with the influences on performance from the pore size, specific surface area and metal ions; the purpose is to discloses the inner relationship among design, synthesis and capacitive performance of materials. Further study is to select the materials with high specific capacitance and good cycling stability and evaluate the basis for its application. After the implementation of this project, we anticipate to further develop application of MOFs materials and lay a foundation for the development of new energy storage materials.

多孔金属-有机骨架化合物由于具有超高的比表面积、可控的孔道尺寸和丰富的结构类型等特点，在新型储能材料方面具有重要的应用前景，而其作为超级电容器材料的研究则处于起步阶段。本项目拟选择刚性吡啶羧酸类配体和可变价过渡金属离子，通过对配体尺寸、金属离子构型与功能的限制及合成条件的调控定向构筑系列多孔金属-有机骨架晶体材料；开展目标材料的孔结构与电容性能评价，探讨其孔径尺寸、比表面积大小和金属离子组成等对其电容性能的影响；阐明多孔金属-有机骨架超级电容器材料的设计、合成及其性能之间的内在联系；筛选出具有高比电容和良好稳定性的多孔金属-有机骨架超级电容器材料，初步开展其应用评价。本项目的实施有望深入拓展金属-有机骨架材料的应用空间，为新型储能材料的开发奠定基础。

多孔金属-有机骨架化合物由于自身结构的优越性被作为潜在的新型储能材料而广泛研究，但其作为超级电容器材料的应用研究却比较少。本项目选择刚性的吡啶羧酸类配体和可变价过渡金属离子在溶剂热条件下以酰胺为主要溶剂制备同构含混价金属离子的金属-有机骨架晶体材料，对其电化学性质以及结构和性质之间的关系进行实验研究。. 研究结果显示，合成的MOFs材料具有较大孔径，合成温度不宜过高，且应以酰胺为主要溶剂，辅助酸碱调节；合成的MOFs材料具有以混价金属离子在电解液中产生法拉第赝电容为主的电化学性质，且该性质与混价金属离子种类及材料孔径大小密切相关：混价金属离子种类对材料的比电容大小和循环稳定性有一定的影响，这和相应金属氧化物的电容行为相对应；而材料结构中孔径的大小也与其比电容大小相关，孔径越大，则其比电容越大。. 本项目的实施揭示了MOFs材料的合成、结构特点和电容性能之间的内在联系，为金属-有机骨架材料的在超级电容器中的应用提供理论基础，具有一定的学术价值。