NEC锂电池产品分类
NEC锂电池配体工程化MOF衍生复合材料用于铝空气电池与非对称超级电容器的双能量存储
发布时间：2026-04-08 20:45:07 点击： 次
MOF衍生材料因其高比表面积、多孔性和导电性而成为极具吸引力的电极候选材料。这些特性使其适用于储能设备，如铝空气电池和赝电容器。铝空气电池具有理论能量密度高、成本低的优势，但其性能受限于缓慢的氧还原反应（ORR），该反应需要高效的电催化剂。而赝电容器则依赖具有可及活性位点的导电材料来实现高功率和循环稳定性。本工作采用三种氮含量不同的配体合成了铁锰基MOF衍生物：对苯二甲酸（BDC/C）、2,5-吡啶二甲酸（2,5-pydc/C）和3,5-吡唑二甲酸（H3pdc/C)。通过铝空气电池和非对称超级电容器的测试，评估了材料形态与结构特性的影响。铝空气电池中的电化学测试表明，配体化学性质对器件性能具有显著影响。含氮配体2,5-pydc/C因电荷传输增强和氧电催化活性提升而表现出更优的电压稳定性，而BDC/C则展现出最佳的氧还原反应（ORR）性能，在10 mA cm-2的间歇循环测试中可提供75 mA cm-2的放电电流密度，并保持20小时以上的稳定运行。−2（此处段落结束，保留原文分段标记）−2与此同时，采用MOF衍生材料组装的不对称超级电容器展现出优异的电化学性能，其中2,5-pydc/C材料获得了最高的比电容值（188.3 F g−1），并在10,000次充放电循环后仍保持80%的初始容量，证实了其适用于赝电容储能体系。
引言
在储能装置的应用中，金属空气电池是一种典型代表，其通常由金属阳极（如锂、锌或铝）构成，并利用大气中的氧气作为氧化剂。这种组合方式能以低于传统电池的成本实现更高的能量密度。其中，铝空气电池因其理论比能量高达5779 Wh kg<sup>-1</sup>和优异的电压特性而备受瞩目。−1分别为2.7V。尽管这是一种原电池（即一次性电池），但该装置在应急备用电源、军事、水下应用及便携式装备等众多领域具有显著应用价值[3,4]。此外，铝是地壳中含量最丰富的金属元素，其重量占地壳固体表面的8.1%，位列所有元素第三位，这使得铝相较于其他金属更具经济性优势[3,5]。
另一方面，赝电容器（pseudocapacitors）属于电池与电容器之间的中间类别，其通过发生在电极表面或近表面的快速可逆法拉第反应（faradaic reactions）存储能量[6]。该器件以高比功率密度、长循环寿命及高电容为特征，因此被广泛应用于电子设备、国防、汽车及通信技术等领域[7]。
在这两类储能装置中，提升性能的材料开发正受到广泛研究。对于铝空气电池而言，需要高效电催化剂来促进氧还原反应（ORR）——该反应因涉及多电子转移步骤及中间产物形成而动力学缓慢；而对于超级电容器，研究重点则集中于通过表面受限氧化还原反应增加存储电荷的材料。总体而言，材料开发的目标是具备经济可行性、足够孔隙率以保证活性位点（反应发生处）的可及性、拥有电荷载流子传输所需的电子导电性，同时兼具化学与电化学稳定性[[8], [9], [10]]。
总体而言，这两种应用中所使用的材料可分为三大类：碳基材料[[10], [11], [12]]、过渡金属氧化物[[13], [14], [15], [16]]以及导电聚合物[[17], [18], [19]]。其中应用最广泛的碳基材料包括石墨、石墨烯和活性炭，它们具有优异的导电性、导热性和多孔性，但其化学惰性导致缺乏提升材料电容的氧化还原过程[10]。相比之下，过渡金属氧化物能为催化反应提供金属活性中心，并可能通过本征或外赋机制表现出赝电容行为[[20], [21], [22]]。然而这类材料存在循环稳定性差、导电率低和柔韧性不足等缺陷。正因如此，开发包括复合材料在内的新型材料已成为解决两者缺陷的替代方案，通过协同作用增强其优势[9,14,23]。
MOF衍生材料是获取这些复合材料的适宜策略，其利用金属中心提供的多孔结构和活性位点，以MOFs作为模板。目前已探索多种改性方法，包括通过生长层状双氢氧化物转化MOFs，以及将其与二次电化学活性材料复合[24,25]。此外，退火、蚀刻、等离子体辐照和热解等后处理方法可促进空位形成，从而调控电子结构并提升其在储能应用中的性能[26,27]。例如，Poudel等人报道了由LDH模板衍生的吡啶氮独占富集的碳纳米管包裹镍铁(NiFe)界面合金纳米颗粒，该材料负载于编织碳纤维布上，作为锌空气电池双功能氧催化剂，在10 mA cm−2173 mV的起始电位和0.87 V的半波电位用于氧还原反应（ORR）。该锌空气电池展现出153 mW cm-2的高功率密度−2以及优异的稳定性[28]。
通过热解获得的MOF衍生材料具有碳质结构，该结构可提供导电性，同时其金属中心能促进快速氧化还原反应，从而提升材料的容量与反应动力学性能[29,30]。得益于高比表面积、可控孔隙率和优良导电性，这些材料在电催化、燃料费分离、污染物去除及传感等领域展现出显著的应用潜力[31,32]。这类材料的多功能性使其能够通过合成过程中配体与中心金属的选择来调控性能，这一特性对其最终性能具有决定性影响。
在MOF合成中作为金属中心使用的不同金属中，过渡金属的应用最为普遍，其中锰基材料的电容测试结果达到270 F g−1in capacitance for a Mn2@3D-石墨烯网络MOF衍生材料[33]，以及Co,N–C NS-800C MOF衍生材料在氧还原反应(ORR)中展现的0.94 V半波电位[34]。文献报道这些结构中的锰以多种氧化态（4+、3+和2+）存在，这不仅能促进高效电子转移并优化氧中间体的结合——该反应的关键步骤，还具有储量丰富、低毒性及多样化氧化还原化学特性[35]。另一方面，尽管铁本身催化活性较低，但与其他过渡金属组合使用时，材料性能显著提升。这种协同效应可改变MOF的电子密度分布（尤其在活性位点处）[36,37]。在金属-空气电池领域，研究报道MOF衍生的Fe–Se–C材料在@10 mA cm3该催化剂表现出359 mV的起始电位和0.77 V的氧还原反应半波电位，密度泛函理论[38]研究表明，其导电性和电子结构的改变使其在锌空气电池中展现出优异性能。−2) of 359 mV and a half-wave potential of 0.77 V for ORR, and to show good results in a zinc-air battery due to changes in conductivity and electronic structure, according to DFT [38].
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