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扫频仪基于导电MOF制备微电容器物流

时间:2019/11/29 14:12:34 编辑:

能量存储系统微型化对于便携式电子器件,可植入式微型器件,传感器以及物联网等的快速发展必不可少。其中,电化学微电容器是一种极具潜力的微型能源存储器件。近几年来,利用CO2激光剥离石墨烯(laser-scribed graphene,LSG)技术被证明是一种能够直接制备微电容器电极的有效方法。该方法能够有效地在多种基底上(如PI膜等)实现电极图案的直接“书写”,避免使用复杂且耗时的光刻等工艺。然而,这类方法直接制备的LSG的比电容尚且较低。由于使用CO2激光将sp3-C向sp2-C转化的过程中会产生大量的孔道和表面缺陷,因此通过构筑丰富的表面官能团可以使LSG作为一种理想的导电平台以实现和其它高电容性材料之间的耦合。金属有机骨架(MOFs)作为一类多孔道高比表面的轻质材料作为电极材料极具潜质,其分枝导电MOF更是具有优于传统MOF的特性。近几年来,二维导电MOF(2D MOF)得益于有效的层层间的π–π堆积使其拥有较多的π–π和π–d轨道重叠,因此展现出了优异的导电性能。2D MOF作为电极材料也因此被应用于电化学电容器中。然而,基于2D MOF的电极材料尚未应用于微电容器,原因可能有以下几种:1.大多数MOF都是粉体形式被制备出来,在器件制备中通常使用的热蒸镀,溅射以及刻蚀等过程会造成MOF的损坏。2.导电MOF的选择性(需只与导电集流体结合)生长是很大的挑战。3.绝大多数2D MOF并不能同时作为正极和负极工作(即对称型),使得制备工艺更加复杂。

【成果简介】

近日,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的Husam N.Alshareef教授和Mohamed Eddaoudi教授合作,制备一种基于导电MOF的微电容器。作者首先通过CO2激光在PI膜上制备出LSG电极,然后通过对LSG表面改性并用作三维导电基底,接着用一步低温溶剂热法将导电2D MOF Ni-CAT纳米棒选择性地沉积在LSG上,形成LSG/Ni-CAT MOF复合电极材料。该电极材料可同时作为电容器的正极和负极,且展现出了远高于LSG的电化学性能(比电容,能量密度等)。同时,该复合电极也展现出了较好的倍率性能和循环稳定性。该成果以题为“Conductive Metal–Organic Frameworks Selectively Grown on Laser-Scribed Graphene for Electrochemical Microsupercapacitors”发表在Adv.Energy Mater.上,论文第一作者为KAUST博士后吴昊。

【图文导读】

图1.LSG/Ni-CAT MOF复合电极材料制备流程及Ni-CAT结构示意图。

(a)-(c)电极制备过程;(d)-(g)2D层状Ni-CAT结构示意图。

图2.形貌及组分表征。

(a),(b)分别为LSG和LSG/Ni-CAT扫描电镜图;(c)LSG/Ni-CAT透射电镜图;(d),(e)分别为电子束垂直和平行于一维孔道的高倍透射电镜图;(f)XRD图谱;(g)FTIR图谱。

图3.水系电解液中电化学性能对比。

(a)LSG/Ni-CAT作为正负极的CV图;(b)LSG/Ni-CAT不同工作电压区间CV图;(c)LSG和LSG/Ni-CAT的CV对比图;(d)LSG和LSG/Ni-CAT的充放电对比图。

图4.准固态电解液中电化学性能对比。

(a)不同沉积时间CV对比;(b)LSG/Ni-CAT不同扫速的CV;(c)LSG和LSG/Ni-CAT充放电对比图;(d)LSG/Ni-CAT在不同电流密度下充放电图;(e)LSG和LSG/Ni-CAT比电容对比图;(f)循环稳定性测试。

【小结】

该工作通过表面改性,选择性沉积导电MOF,并首次实现了将导电MOF作为电极材料应用于微电容器中。2D Ni-CAT MOF作为电极材料工作电压可以达到1.4 V,比电容高达15.2 mF cm-2,能量密度和功率密度分别可以达到4.1μWh cm-2和7 mW cm-2。该工作为导电MOF作为电极材料应用于微型电化学能量存储器件提供了参考。

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