多孔MOF@MXene复合电极材料的设计、合成及其超电容性能

Design and controllable synthesis of high-performance electrode materials is one of effective methods toresolve the low energy density of supercapacitor in practical applications. This proposal puts forward a new way to fabricate composite, i.e. in situ self-sacrificial template, cationic surfactant intercalation, and self-assembly in confined space synthetic routes are developed to effectively and controllably prepare sandwiched MOF@MXene porous composites. Thus, the composite electrodes with high specific capacitance, high rate capability and long cycling stability are constructed conbined with synergistic effect of their components. The formation mechanism of structural change between precursors and target product, and formation of porous structures are clarified based on in/non situ characterization and electrochemical analysis. Moreover, the transfer and diffusion rule of electrolyte ions in porous electrodes are also investigated to build up the structure-activity relationship and related theroies of microstructure of porous electrodes, electrolyte and electrochemical performance, which will provide valuable information and new design ideas for the electrodes of supercapacitor with high storage energy density and long cycling life.

设计和可控制备高性能的电极材料，是解决当前超级电容器规模化应用时其储能密度偏低的有效途径之一。本项目拟提出一种制备复合电极材料新思路，即采用自牺牲模板-阳离子表面活性剂插层-限域自组装策略，高效可控合成具有三明治结构的金属-有机框架@二维金属碳化物（MOF@MXene）多孔复合材料。利用两者间的耦合协同效应，构筑具有高比容量、高倍率及循环性能稳定的复合电极。基于原位-非原位表征和电化学分析，阐明前驱体与目标产物间结构的转变及多孔结构的形成原理，揭示表面活性剂分子链尺寸和层间限域组装对复合电极材料微观结构的控制作用及形成机制。建立复合电极结构与电解液间的兼容性关系，揭示电解液离子在多孔电极内的传输、扩散规律，发展并建立MOF@MXene多孔电极微观结构、电解液与电化学性能之间的构效关系及相关作用理论，为构建高储能密度、长循环寿命的超级电容器电极材料提供有价值的设计信息和新的设计思路。

能源危机与环境污染已成为当今社会面临的两大难题，因而开发利用新型绿色储能器件并提高其利用率势在必行。而设计与可控制备高性能的电极材料是解决目前储能器件规模化应用时其电化学性能偏低的有效途径之一。在国家自然科学青年基金项目的资助下，本项目围绕复合电极材料的结构优化与其电化学性能间的构效关系，建立可控构筑具有优异电化学性能的多孔MOF/MXene复合材料的新方法。重点研究二维层状多孔MXene的可控制备及形成机制，MXene层间限域组装MOF材料的控制机理及结构特性以及揭示MOF/MXene复合电极的电化学性能及储能机制。主要成果有：1. 采用湿化学法将Ti3C2 MXene经LiOH碱化而使其层间距扩大，再利用静电吸附使Fe3+吸附到Ti3C2中，获得β-FeOOH/Ti3C2复合材料。当FeOOH含量为10%时，在0.1 A g-1的电流密度下能达到459 mAh g-1的高比容量，在0.5 A g-1的电流密度下循环400圈后，容量能保持在332 mAh g-1，展现出良好的循环稳定性。2. 利用酸蚀刻及超声剥离法获得Ti3C2薄片，再通过常温静置液相法合成超薄NiCo-MOF片，最后借助于真空过滤方法，利用Ti3C2和NiCo-MOF纳米片之间的层间氢键作用制备了三维（3D）多孔Ti3C2/NiCo-MOF复合材料。该复合电极在0.1 A g−1电流密度下，经300次循环后，其可逆比容量可达402 mAh g−1，展现出优良的倍率和循环性能。3. 通过静电吸附作用将Co2+引入Ti3C2层间，利用金属离子与有机配体的配位作用实现层间MOF晶体的限域生长，最后通过高温硫化获得Ti3C2/CoSx复合材料。电化学结果表明：0.2 A g−1电流密度下，经过300次充放电循环后，其比容量能达到593.5 mAh g−1。与商业化NCM523进行匹配，组建成锂离子全电池也表现出良好性能，0.5 A g−1下经200个循环后仍能达到100.2 mAh g−1 的可逆比容量，显示出良好的全电池性能。.发表受国家自然科学基金资助学术论文6篇；申请中国发明专利3项，培养研究生4名。