大连理工大学张旭/刘安敏、滨州学院赵英渊 Small：一维Co-CH@Ni-MOFs核壳结构纳米复合材料设计制备

点击蓝字关注我们

近期，大连理工大学张旭、刘安敏与滨州学院赵英渊在基于MOFs的异质结构设计合成方面取得新进展，探索了一维碱式碳酸钴@Ni-MOFs(Co-CH@Ni-MOFs)核-壳异质结构的制备及其在超级电容器中的应用，丰富了基于MOFs的一维核壳结构纳米复合电极材料的设计理念，相关成果以“One-Dimensional Co-Carbonate Hydroxide@Ni-MOFs Composite with Super Uniform Core–Shell Heterostructure for Ultrahigh Rate Performance Supercapacitor Electrode”为标题，发表在Small。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。 
图1 Co-CH@Ni-MOFs的设计制备示意图
 MOFs材料具有高比表面积、可调的孔结构和丰富的氧化还原反应位点，是超级电容器电极的理想材料之一。但是MOFs反应动力学慢导致其比容量和倍率性能不甚理想。针对上述问题，他们提出了一维核壳结构纳米异质结构的设计理念。以具有良好赝电容特性的一维Co-CH纳米线作为结构导向剂和基底，诱导在其表面包覆Ni-MOFs，形成超均匀的核-壳异质结构（图1-2）。通过对比发现，碱式碳酸钴的引入对Ni-MOFs的结构有显著影响，所形成的界面可以产生额外的活性位点。XRD和XPS的表征证实了异质结材料的形成，同时也发现内核Co-CH纳米线与外壳Ni-MOFs之间存在较强的电子转移（图3）。理论计算表明，所形成的核-壳异质结构可以提升电子的电化学活性并增强对溶液中OH^-离子的吸附行为（图4-5）。构筑的异质结可以有效的发挥协同效应，从而改善电极材料可逆氧化还原反应。因此，所设计制备的Co-CH@Ni-MOFs电极表现出优异的电化学性能：比容量可以达到1246 F g^-1，在150 A g^-1下具有70.3%的容量保持率，并且在10000次的循环下依然可以保持初始容量的90.1%。  
图2  一维Co-CH@Ni-MOFs核壳异质结构的微观结构图：（a-b）SEM图; （c-d）TEM图;（e） STEM图和对应Ni, Co的元素分布图 
图3 Co-CH、Ni-MOFs、Co-CH@Ni-MOFs的(a) XRD图; (b) XPS全谱; (c)Ni-MOFs和Co-CH@Ni-MOFs的高分辨率Ni 2p光谱；(d)Co-CH和Co-CH@Ni-MOFs的高分辨率Co 2p光谱  
图4 DOS图和PDOS图：(a-b) Co-CH、Ni-MOFs和Co-CH@Ni-MOFs的DOS图; (c-d) d-PDOS 图 
图5 OH^-吸附行为的能量波动曲线：a) Co-CH, b) Ni-MOFs, and c) Co-CH@Ni-MOFs；OH^-吸附行为的温度波动曲线 d) Co-CH, e) Ni-MOFs, and f) Co-CH@Ni-MOFs. 
图6 OH^-在分子动力学模拟的最终构型与吸附能 (a) Co-CH; (b) Ni-MOFs和(c) Co-CH@Ni-MOFs 
图7 所制备的Co-CH、Ni-MOFs和Co-CH@Ni-MOFs电极的电化学性能: (a) 50mV·s^-1下的CV曲线; (b) Co-CH@Ni-MOFs在5至300mV·s^-1扫速下的CV曲线; (c)电流密度为10 A g^-1时的GCD曲线; (d)1-150 A g^-1的比容量; (e) 电化学阻抗Nyquist图; (f) 在10 A g^-1电流密度下的循环性能
原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200656

作者简介

向上滑动阅览

张旭  大连理工大学硕士生导师，主要从事纳米复合材料的的制备与应用研究。以一作和通讯作者发表SCI论文20余篇，并授权国家专利10余项。主持及参与多项国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目。
刘安敏 大连理工大学硕士生导师。主要研究方向为电化学功能材料设计制备与应用，并结合电化学研究及理论与计算化学开展材料在电催化、储能等方面的机理研究。以一作/通讯发表相关领域SCI论文50余篇。主持及参与多项国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目，获得辽宁省自然科学学术成果奖。
赵英渊，滨州学院、硕士生导师。主要从从事储能材料与器件、纳米负荷材料领域的研究；主持国家自然科学基金青年基金1项；目前已经发表相关的SCI论文30余篇，H因子12，他引次数467次；授权国家发明专利10余项。

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。