铵离子（NH₄⁺）混合超级电容器因其低成本、高能量/功率供应和环境友好性而成为前景广阔的储能设备。然而，如何设计电极材料以实现高效的 NH₄⁺ 储存仍然是一个巨大的挑战。在此，我们报告了生长在分层多孔碳纳米纤维（HPCNFs）上的一维共轭金属有机框架（1D c-MOFs），这是一种具有吸引力的 NH₄⁺ 宿主材料，可实现快速扩散动力学。嵌入 Ni-BTA（BTA = 1,2,4,5-苯四胺）的 c-MOF 复合材料（称为 HPCNFs@Ni-BTA）具有高导电性、分层多孔结构和密集的活性位点，在 0.5 A g^-1 电流条件下具有 678.5 F g^-1 的超高比电容和出色的速率能力（10 A g^-1 电流条件下为 220.1 F g^-1）。实验分析和理论计算证实，强大的 NH₄⁺ 吸附能力来自于 C=N 和 C-N 键之间的 NiN₄ 链接处发生的可逆氧化还原反应。通过将 HPCNFs@Ni-BTA 阳极与 HPCNFs 阴极耦合，NH₄⁺ 全器件在 0.3 A g^-1 的条件下输出了 156 F g^-1 的高比电容和 48.8 Wh kg^-1 的显著能量密度，优于最近报道的大多数水性超级电容器。这项工作为设计下一代能源应用的先进功能电极提供了令人兴奋的策略。
 
Fig 1. (a) HPCNFs@1D c-MOFs 的制备过程示意图。(b) 原始 HPCNFs 的扫描电镜图像和 (d) TEM 图像。(c) HPCNFs@Ni-BTA 的 SEM 图像和 (e) TEM 图像。(f) HPCNFs@Ni-BTA 中 C（绿色）、N（黄色）、O（紫色）和 Ni（蓝色）元素的 HAADF 和 EDX 元素图谱。
 
Fig 2. HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 的结构特征。(a) HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 的实验和模拟 XRD 图。(b) HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 的傅立叶变换红外光谱。(c) HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 的 XPS 勘测光谱和 (d) Ni 2p 和 N 1s XPS 光谱。(e）HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 的氮吸附-解吸等温线和（f）相应的孔径分布。
 
Fig 3. 在三电极电池中测量的 HPCNFs@Ni-BTA 电极的电化学行为。(a) HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 电极在 5 mV s^-1 时的 CV 曲线。(b) HPCNFs@Ni-BTA 电极在不同扫描速率下的 CV 曲线。(c) CV 曲线中各氧化还原峰的对数 i 与对数 v 图。(d) 电容电流（橙色）和扩散控制电流（黑色）的归一化贡献率与扫描速率的函数关系。(e) HPCNFs@Ni-BTA 电极在 0.5 至 5 A g^-1 电流密度下的 GCD 曲线。(f) 根据 GCD 曲线计算出的 HPCNFs、HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 电极的比电容与电流密度的函数关系。(g）电流密度为 5 A g^-1 时 HPCNFs@Ni-DABDT 和 HPCNFs@Ni-BTA 电极的循环稳定性和库仑效率。插图显示了前五个和后五个 GCD 曲线。(h) HPCNFs@Ni-BTA 电极在 10,000 次充放电循环之前和之后的奈奎斯特图。
 
Fig 4. 在三电极电池中测量的 HPCNFs@Ni-BTA 电极充放电过程中的电荷存储机制和结构分析。(a) HPCNFs@Ni-BTA 电极在 0.5 A g^-1 时的 GCD 曲线，以及 HPCNFs@Ni-BTA 电极在不同充放电电位下相应的原位 (b) 傅立叶变换红外光谱、(c) Ni 2p XPS 光谱、(d) N 1 s XPS 光谱。(e、f）计算的模型化合物 M1 和 M2 的 MESP 分布以及相应的优化 NH₄⁺ 吸附原子构型。(g）HPCNFs@Ni-BTA 的拟议 NH₄⁺ 储存机制。
 
Fig 5. HPCNFs@Ni-BTA//HPCNFs NH₄⁺ HSCs 的电化学性能。(a) 所设计的 NH₄⁺ HSCs 的示意图。(b) 1 至 20 mV s^-1 不同扫描速率下的 CV 曲线。(c) 0.3 至 2 A g^-1 不同电流密度下的 GCD 曲线。(d) 根据 GCD 曲线得出的比电容与电流密度的函数关系。(e) HPCNFs@Ni-BTA//HPCNFs 与其他最先进 SC 的 Ragone 图。(f) HPCNFs@Ni-BTA//HPCNFs 在 2 A g^-1 下的循环稳定性和库仑效率。插图显示了 HPCNFs@Ni-BTA//HPCNFs 的前五条和后五条 GCD 曲线。
 
      相关研究工作由深圳大学Renheng Wang和华中科技大学Xing Lu/Panpan Zhang课题组于2024年共同发表在《Energy Storage Materials》期刊上，Hierarchical porous carbon nanofibers embedded with one-dimensional conjugated metal−organic framework anodes for ammonium-ion hybrid supercapacitors，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103522

转自《石墨烯研究》公众号