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大连理工大学张旭/刘安敏、滨州学院赵英渊 Small：一维Co-CH@Ni-MOFs核壳结构纳米复合材料设计制备

时间：2022-04-28 来源：浏览：

大连理工大学张旭/刘安敏、滨州学院赵英渊 Small：一维Co-CH@Ni-MOFs核壳结构纳米复合材料设计制备

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#核壳异质结构 1 个

#一维复合材料 1 个

#MOFs 8 个

#碱式碳酸钴 1 个

#超级电容器 5 个

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近期，大连理工大学张旭、刘安敏与滨州学院赵英渊在基于 MOFs 的异质结构设计合成方面取得新进展，探索了一维碱式碳酸钴 @Ni-MOFs(Co-CH@Ni-MOFs) 核 - 壳异质结构的制备及其在超级电容器中的应用，丰富了基于 MOFs 的一维核壳结构纳米复合电极材料的设计理念，相关成果以 “ One-Dimensional Co-Carbonate Hydroxide@Ni-MOFs Composite with Super Uniform Core–Shell Heterostructure for Ultrahigh Rate Performance Supercapacitor Electrode ” 为标题，发表在 Small 。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

图 1 Co-CH@Ni-MOFs 的设计制备示意图

MOFs 材料具有高比表面积、可调的孔结构和丰富的氧化还原反应位点，是超级电容器电极的理想材料之一。但是 MOFs 反应动力学慢导致其比容量和倍率性能不甚理想。针对上述问题，他们提出了一维核壳结构纳米异质结构的设计理念。以具有良好赝电容特性的一维 Co-CH 纳米线作为结构导向剂和基底，诱导在其表面包覆 Ni-MOFs ，形成超均匀的核 - 壳异质结构（图 1-2 ）。通过对比发现，碱式碳酸钴的引入对 Ni-MOFs 的结构有显著影响，所形成的界面可以产生额外的活性位点。 XRD 和 XPS 的表征证实了异质结材料的形成，同时也发现内核 Co-CH 纳米线与外壳 Ni-MOFs 之间存在较强的电子转移（图 3 ）。理论计算表明，所形成的核 - 壳异质结构可以提升电子的电化学活性并增强对溶液中 OH ^- 离子的吸附行为（图 4-5 ）。构筑的异质结可以有效的发挥协同效应，从而改善电极材料可逆氧化还原反应。因此，所设计制备的 Co-CH@Ni-MOFs 电极表现出优异的电化学性能：比容量可以达到 1246 F g ^-1 ，在 150 A g ^-1 下具有 70.3% 的容量保持率，并且在 10000 次的循环下依然可以保持初始容量的 90.1% 。

图 2 一维 Co-CH@Ni-MOFs 核壳异质结构的微观结构图：（ a-b ） SEM 图 ; （ c-d ） TEM 图 ; （ e ） STEM 图和对应 Ni, Co 的元素分布图

图 3 Co-CH 、 Ni-MOFs 、 Co-CH@Ni-MOFs 的 (a) XRD 图 ; (b) XPS 全谱 ; (c)Ni-MOFs 和 Co-CH@Ni-MOFs 的高分辨率 Ni 2p 光谱； (d)Co-CH 和 Co-CH@Ni-MOFs 的高分辨率 Co 2p 光谱

图 4 DOS 图和 PDOS 图： (a-b) Co-CH 、 Ni-MOFs 和 Co-CH@Ni-MOFs 的 DOS 图 ; (c-d) d-PDOS 图

图 5 OH ^- 吸附行为的能量波动曲线： a) Co-CH, b) Ni-MOFs, and c) Co-CH@Ni-MOFs ； OH ^- 吸附行为的温度波动曲线 d) Co-CH, e) Ni-MOFs, and f) Co-CH@Ni-MOFs.

图 6 OH ^- 在分子动力学模拟的最终构型与吸附能 (a) Co-CH; (b) Ni-MOFs 和 (c) Co-CH@Ni-MOFs

图 7 所制备的 Co-CH 、 Ni-MOFs 和 Co-CH@Ni-MOFs 电极的电化学性能 : (a) 50mV·s ^-1 下的 CV 曲线 ; (b) Co-CH@Ni-MOFs 在 5 至 300mV·s ^-1 扫速下的 CV 曲线 ; (c) 电流密度为 10 A g ^-1 时的 GCD 曲线 ; (d)1-150 A g ^-1 的比容量 ; (e) 电化学阻抗 Nyquist 图 ; (f) 在 10 A g ^-1 电流密度下的循环性能

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200656

作者简介

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张旭大连理工大学硕士生导师，主要从事纳米复合材料的的制备与应用研究。以一作和通讯作者发表 SCI 论文 20 余篇，并授权国家专利 10 余项。主持及参与多项国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目。

刘安敏 大连理工大学硕士生导师。主要研究方向为电化学功能材料设计制备与应用，并结合电化学研究及理论与计算化学开展材料在电催化、储能等方面的机理研究。以一作 / 通讯发表相关领域 SCI 论文 50 余篇。主持及参与多项国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目，获得辽宁省自然科学学术成果奖。

赵英渊 ，滨州学院、硕士生导师。主要从从事储能材料与器件、纳米负荷材料领域的研究；主持国家自然科学基金青年基金 1 项；目前已经发表相关的 SCI 论文 30 余篇， H 因子 12 ，他引次数 467 次；授权国家发明专利 10 余项。

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