扬州大学庞欢Angew. Chem.：原位生长系列MOF/MXene三维复合材料、衍生物

第一作者：刘春丽

通讯作者：庞欢教授

通讯单位：扬州大学

DOI:10.1002/anie.202116282

MXene结合了高的类金属导电性、高亲水性和丰富的表面官能团，作为超级电容器电极材料时展现出了突出的电化学性能，因为这种层状结构可以同时插入分子与离子，单位体积内的比容量也优于一般碳基材。然而，MXene纳米片在层间范德华力和氢键作用下的聚集是严重限制其实际应用的一个主要问题。研究表明，将MXene与MOF复合，可以发挥不同组分各自的优势，并实现单一组分无法达到的物理化学性能。

作者利用MXene表面丰富的基团对金属离子的吸附作用，在MXene表面原位生长MOF颗粒，探究了合成条件对MXene表面覆盖率、MOF形貌等的影响，最终实现了可控合成。进一步地，利用ZIF-67在碱性环境下与VO₃^–发生离子交换反应对MXene/ZIF-67进行化学刻蚀，将MXene表面的ZIF-67部分转变成由CoV₂O₆纳米颗粒组装的空心纳米笼，得到具有多级分层结构的MXene/ZIF-67/CoV₂O₆复合材料。

通过材料表征测试和电化学测试研究了MXene/MOF（MXene/Cu-BTC, MXene/Fe,Co-PBA, MXene/ZIF-8和MXene/ZIF-67）的组成成分和结构形貌。电化学测试结果表明复合材料展现出优秀的电化学性能。

【研究创新点】

1. 作者提出一种MXene/MOF的通用合成策略，在MXene纳米片上原位生长的三维MOF纳米颗粒，避免了MXene的堆积问题，并提供额外的赝电容贡献。

2. 通过精确控制pH值、反应时间和温度，得到空心Ti₃C₂T_X/ZIF-67/CoV₂O₆复合结构，大大缩短了电荷的传输距离。

3. 本研究为MXene/MOF复合材料及具有可调结构和组成的复杂空心结构的设计和合成开辟了一条新的途径。

图一：Ti₃C₂T_X/Cu-BTC, Ti₃C₂T_X/Fe,Co-PBA, Ti₃C₂T_X/ZIF-8, Ti₃C₂T_X/ZIF-67 和 Ti₃C₂T_X/ZIF-67/CoV₂O₆的制备流程示意图

图二：Ti₃C₂T_X/Cu-BTC, Ti₃C₂T_X/Fe,Co-PBA, Ti₃C₂T_X/ZIF-8, Ti₃C₂T_X/ZIF-67和Ti₃C₂T_X/ZIF-67/CoV₂O₆的微观形貌与XRD表征。

图三：电解质/电子在Ti₃C₂T_X, Ti₃C₂T_X/ZIF-67和空心的Ti₃C₂T_X/ZIF-67/CoV₂O₆中的传输示意图。

图四：MOF, MXene/MOF和MXene/MOF/CoV₂O₆的电化学性能

Chunli Liu, Yang Bai, Wenting Li, Feiyu Yang, Guangxun Zhang, Huan Pang. In Situ Growth of Three-Dimensional MXene/Metal-Organic Framework Composites for High-Performance Supercapacitors. Angew. Chem. Int. Ed. 2022. DOI:10.1002/anie.202116282

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