提高MOF纳米晶的电循环稳定性：双配体策略 + 软硬酸碱原则 | NSR

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近日，黄维院士和扬州大学庞欢教授等以Tdc和Bpy为双配体，与Ni共同合成了多种形态的[Ni(Tdc)(Bpy)]n MOF纳米晶体（Tdc: 2, 5-噻吩二羧酸; Bpy: 4,4'-联吡啶），这种设计同时符合双配体策略和软硬酸碱原则，使纳米晶获得了良好的电化学循环性能，用作超级电容器10的电极材料，也展现出优秀的性能。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

金属有机框架材料（MOFs）是一种性能优异的多孔材料，但其稳定性较差，限制了其在电化学领域的实际应用。

该设计中，双配体中的Bpy与Ni形成1D Ni-Bpy线性链、Tdc与Ni形成2D Ni-Tdc网络结构，在此基础上，可组装形成3D柱层结构，其中层与层之间通过Ni-N配位键相连，比传统的氢键连接更稳定。

3D柱层结构示意图

而且，调控两种配体的投料比，即可控制MOF纳米材料沿不同方向生长，从而构筑出不同形态的纳米晶，包括1D纳米纤维、2D纳米片、3D聚集体。

[Ni(Tdc)(Bpy)]_n MOF 的1D纳米纤维、2D纳米片和3D聚集体

此外，大多数MOF纳米晶体不稳定的原因之一是软金属阳离子(Co²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等)与硬羧酸配体配位形成软硬化合物，不符合软硬酸碱原则。而在此设计中，研究者以“更软”的含N配体Bpy代替硬羧酸配体，使材料符合软硬酸碱原则，从而获得更好的稳定性。 

进一步，研究者测试了这些3D柱层MOF的电化学性能。发现2D纳米片可用作超级电容器电极材料，并展现出良好的循环稳定性。

研究者将两个基于[Ni(Tdc)(Bpy)]_n MOF纳米晶体的超级电容器串联，为LED灯和电动机供电

更进一步的研究发现，在充放电过程中，电解液中的OH^-会破坏掉2D MOF纳米片中相对较弱的Ni-O键并形成氢氧化镍，使得Tdc配体从MOF结构中移除，而Ni-Bpy层得到很好的保护，维持其电化学性能。这说明Ni(OH)₂和Ni-Bpy层的共同容量贡献提供了良好的循环稳定性。

[Ni(Tdc)(Bpy)]_n MOF电极的充放电机理

该研究为合成形态可控、高稳定性的功能性MOF材料提供了思路。

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