杨洋溢教授课题组将配位超分子网格应用于电化学储能研究取得新进展

       超级电容器具有功率密度高、循环使用寿命长和安全性高等诸多优良性能,在电化学储能领域的应用潜力巨大。然而,开发兼具高功率密度和高能量密度的超级电容器的新型电极材料,仍然是一个富有挑战性的课题。

       配位超分子网格是通过金属离子与有机配体组成结构单元后,再进一步通过弱的相互作用力(如  堆叠、氢键、配位作用以及范德华力等)形成晶体材料,具有孔隙度高、比表面积大、结构和功能性可调等优点使其成为了极具开发前景的储能材料。基于对配位超分子网格中弱的自组织作用赋予材料独特的结构可逆性、良好的自修复功能以及优良的电荷转移性的认识,杨洋溢教授课题组首次提出了将配位超分子网格材料应用于超级电容器等电化学储能领域。

       经过两年多的探索,该课题组在配位超分子网格储能材料的应用方面取得了新的进展。首先,课题组硕士生王中恒巧妙地将蜂窝状的镍基配位超分子网格与电剥离石墨烯原位组装成复合电极材料,并且应用于超级电容器器件的构筑,所获器件展示了优异的电化学性能,质量比电容高达1282.8 F/g。(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16476–16483)

   

                          

       硕士生李威通过将Zn2+金属离子掺杂到镍基配位超分子网格中,很好地提升了配位超分子网格的导电性能以及增大晶体的晶格距离,从而促进了电解液离子的快速扩散,优化配位超分子网格的电化学性能,将材料的质量比电容有效地提高了141%。(Electrochimica Acta, 2017,228, 233–240)

                              

       为了更有效地提高超级电容器电极材料的倍率性能以及循环性能,课题组硕士生张高伟通过简单的水热法将镍基配位超分子网格组装在氮掺杂石墨烯上,所得复合电极材料,在充放电的电流密度高达40 A/g时,质量比电容仍能保持53%,表明该电极材料突出的倍率性能;此外,该电极经过14000次循环后容量保持率高达85.3%,展现出优异的循环稳定性。(J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19036–19045)

                           

        最近,课题组博士生姚华采用一步溶剂热法首次制备了具有3D结构的配位超分子网格-还原氧化石墨烯复合电极材料。配位超分子网格不仅有效地规避还原氧化石墨烯的团聚现象,还能够增强电极材料的电化学性能。此外,姚华还采取原位化学氧化聚合法,将聚吡咯紧密地原位生长在2D的配位超分子网格表面,制备了高性能柔性超级电容器电极,该研究为柔性超级电容器的制备提供了一个思路。相关成果分别发表于在Elsevier出版的国际材料科学专业学术刊物Materials Today EnergyChemical Engineering Journal(Materials Today Energy, 2017, 6, 164-172; Chemical Engineering Journal, 2018, 334, 2547–2557)

                               

       课题组博士生张峰在泡沫镍的金属基底上设计了自组装的配位超分子网格阵列,作为一种新型的高性能储能材料,其中,泡沫镍不仅作为电极支撑基底,同时还充当配位超分子网格材料中的金属离子源。该电极材料表现出较高的面积比电容,在10 mA/cm 2的电流密度条件下,面积比电容高达6.04 F/cm 2。(Chemical Engineering Journal, 2018, 338, 230–239)

                                      

       该课题组的研究得到国家自然科学基金(51472275,91022012和20973203),广东省自然科学基金(2014A030313207)和中山大学开放实验基金项目(20160207)的资助。

 

论文链接:

J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 16476

http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2016/ta/c6ta06974f

Electrochimica Acta, 2017,228, 233

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.01.066

J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19036

http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c7ta05667b

Materials Today Energy, 2017, 6, 164

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2017.09.012

Chemical Engineering Journal, 2018, 334, 2547https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.12.013

Chemical Engineering Journal, 2018, 338, 230https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.01.003

 

                      

       

                      

 

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