Angew. Chem. Int. Ed. 基于微型芯片超級電容器配位聚合物的交流電線性過濾性能研究

【引言】

近年來，如微型超級電容器和微型電池等電化學能量儲存設備，由于其在手機電子設備、無線傳感器、和醫藥植入方面的應用受到科學界學者們巨大的關注。最近的研究集中于利用如石墨烯、石墨烯基納米復合材料等納米結構功能材料組裝成微型超級電容器。

【成果簡介】

近日，Angewandte Chemie International Edition 刊登了一篇題為“Coordination Polymer Framework-Based On-Chip Micro-Supercapacitors with AC Line-Filtering Performance”的文章，報道了德累斯頓工業大學及上海交通大學馮新亮教授、莊曉東博士和德國馬普所Enrique Canovas博士（共同通訊作者）等人，采用層疊方法制備出了以配位聚合物框架為基礎的微型芯片超級電容器，因為PiCBA薄膜較好的載體遷移率?(5×10^?3?cm²?V^?1?s^?1)、甘菊環骨架的永久偶極距和PiCBA超低的能帶間隙，組裝得到的MSCs具有高達34.1?F?cm^?3的質量比容量，在50?mV?s^?1的掃描速率下，具備高達1323?W?cm^?3的體積功率密度。?同時還呈現出優良的交流線性濾波性能（在120?Hz時，?73°）。

【圖文導讀】

圖一：PiCBA薄膜的制備和表征

a.通過異腈和鈷離子(R=?COOC₂H₅)之間的配位反應合成PiCBA

b.TEM圖呈現出在銅格上PiCBA較大的區域范圍

c.PiCBA和iCBA的N 1s核心層光譜

d.PiCBA在石英薄片上的紫外光譜；其中插圖為349nm的吸光度和層數之間的線性關系

e.PiCBA用作泵探針延遲時的光電導性（激發波長為：400?nm, 90 μJ?cm^?2）

f.PiCBA中（光致激發后為45?ps）頻率分辨復值的光電導性；黑色的立方體和紅色的開符號分別代表實際測量值和理想值，穿過數據點的直線代表著通過Drude–Smith?模型得到的最佳配合

圖二：PiCBA-Au電極的組裝

a-c) PiCBA薄膜層疊組裝在Au指狀組合型電極上的原理圖(i)將Au指狀組合型電極在iCBA溶液中浸沒24小時之后用新配置的CHCl₃溶液沖洗(ii)浸沒在CoCl₂溶液中60秒之后依次用去離子水、iCBA溶液（60秒）和新配置的CHCl₃溶液沖洗，形成單層PiCBA薄膜。將此過程重復九次最終獲得十層PiCBA-Au電極

圖三：MSCs性能的表征

a.在H₂SO₄-PVA凝膠電解液中，以PiCBA為基礎的MSCs在不同掃描速率下的CV曲線，即使在不同的掃描速率下，也呈現出典型的雙電層電容行為

b.MSCs在不同掃描速率下C_v的變化

c.以PiCBA為基礎的微型裝置復雜的平面阻抗譜圖；插圖呈現的是高頻區域的放大圖

d.以PiCBA為基礎的微型裝置的頻率阻抗相角圖

e.電容圖（C_v′為實際體積電容，C_v′′為理想體積電容）和以PiCBA為基礎的MSCs的頻率圖

f.PiCBA的Ragone圖

以上的這些數據表明，PiCBA?相比于商業應用的鋰薄膜電池、電解質電容器、聚苯胺(PANI)納米線、CNT-石墨烯毯、Ti₃C₂Tx和洋蔥碳而言，能夠呈現出更加優異的高功率密度的電化學能量儲存性能。

圖四：晶胞和能帶結構

a.PiCBA框架的晶胞伸展圖；計算值呈現出的方形布拉菲點陣約為a=20.948??,?b=20.944??和?≈90.0°

b.模擬的能帶結構和態密度(DOS)圖；費米能級穿越兩個自旋向上的能帶表明了材料的金屬性能

c.基于穿越零無序的兩個費米能級帶計算的量子電容

d.在Γ點處穿過費米能級的較低能帶的電荷密度以及在X處接近布里淵區邊界的電荷密度，即k =（0.4,0.0,0.0）。第二帶的電荷密度在Γ點幾乎相同，并在（0.4,0.0,0.0）處水平互補離域。

【小結】

通過在室溫條件下，利用層疊方法制備出了配位聚合物框架為基礎的微型芯片超級電容器，組裝出來的微型芯片超級電容器具備高質量比容量、高能量密度和理想的交流電線性過濾性能。配位聚合物框架具備甘菊環基骨架的永久偶極距、超低能帶間隙和優良的載體遷移率，使得這種物質成為能量儲存和光電應用的理想材料。

文獻鏈接：Coordination Polymer Framework-Based On-Chip Micro-Supercapacitors with AC Line-Filtering Performance（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201700679）

本文由材料人新能源組 穆以溫 供稿，材料牛編輯整理。

點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！