近日，我校化学与环境工程学院刘倩课题组在新型超级电容器材料研发其应用方面取得重要研究进展，相关成果以“A Cobalt-Based Metal-Organic Framework Nanosheet as the Electrode for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”为题发表于国际顶尖期刊《Advanced Science》(中科院1区TOP期刊，IF=17.521)。 为第一通讯单位，通讯作者为刘倩副教授和黄维扬教授，第二作者为2020级化学专业硕士研究生郭增琦。该研究成果已被Advanced Science News和今日头条相继报道。
课题组为解决微观结构不可控和和形貌不均匀对材料电化学性能的影响，采用液/液界面法合成一种二维钴基MOF纳米片材料Co-BTB-LB，并作为正极材料应用于非对称超级电容器，展现出较高的氧化还原活性位利用率、良好的电化学稳定性和优良的储能性质。在提高能量密度和功率密度方面具有显著优势，对未来可持续能源技术的发展提供了一个新的策略和理论依据(Adv. Sci.2023, 2207545, http://doi.org/10.1002/advs.202207545)。
图1二维MOF纳米片Co-BTB-LB结构示意图。
图2 (a) 二维MOF纳米片Co-BTB-LB的合成方法示意图；(b) 二维MOF纳米片Co-BTB-LB的HRTEM图；(c) 本工作与其他有报道的非对称超级电容器材料的能量密度和功率密度比较图；(d) 非对称超级电容器在电流密度为10 A·g−1时的循环稳定性测试。插图：非对称超级电容器设备点亮发光二极管的示意图。
由于超级电容器的能量密度极大程度上取决于电极材料的形态、尺寸和微观结构，因此可控合成出具有均匀形貌和适当微观结构的二维 MOF材料对于提高其作为电极的电化学性能至关重要。本研究中采用可控的液/液界面法合成的二维钴基MOF纳米片Co-BTB-LB具有良好的结构稳定性、理想的有序纳米孔和层间距，使得这种电极表现出了优异电容量(4969.3 F·g1@1 A·g1)和良好的循环稳定性，1000次循环后电容保持率为75%。研制的非对称超级电容器采用Co-BTB-LB作为正电极、活性炭(AC)作为负电极，两种电极材料的协同作用使得该超级电容器在应用电压达到1.6 V时，能量密度高达150.2 Wh·kg1，优于绝大部分文献报道的非对称超级电容器。同时该非对称超级电容器在功率密度方面的表现同样出色。由于采用的正极材料Co-BTB-LB具有丰富的活性位点，使其具备了快速离子传输和电子传导的能力，最终电容器的最高功率密度达到了8003.3 kW·kg1，远超传统锂离子电池。此外该超级电容器还展现出了优良的循环稳定性，在进行10000次的充放电测试以后，电容保持率为97.1%。
这种非对称超级电容器在可持续能源领域具有广泛的应用潜力。例如其高功率密度特性使其成为太阳能和风能发电系统中短时储能的理想选择；同时还可应用于新能源电动汽车，提供瞬时高功率输出以实现快速加速的同时缩短充电时间。研究者相信随着这项技术的不断完善和推广，有望为解决全球能源问题和减缓气候变化做出贡献。
（文/图：刘倩；审核：徐大勇）