掺杂ZIF-8@ZIF-67杂化纳米复合材料的合成及其对超级电容器储能性能的增强机制研究

为解决超级电容器能量密度低的问题，研究人员通过Co、Zn、Pb掺杂ZIF-8@ZIF-67杂化纳米复合材料，显著提升其电化学性能。结果表明，Pb掺杂材料在2.0 A/g下获得428.63 F/g的比电容和2.366 Wh/kg的能量密度，Zn掺杂材料则展现85.2%的循环稳定性。该研究为高性能储能器件设计提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，开发高效储能技术成为研究热点。超级电容器因其高功率密度和快速充放电特性备受关注，但其能量密度远低于电池，限制了大规模应用。金属有机框架（MOF）材料因其高比表面积和可调控孔隙结构被视为理想电极材料，其中沸石咪唑酯骨架ZIF-8和ZIF-67虽各有优势（ZIF-8稳定性高、ZIF-67导电性好），但单独使用时仍面临比电容低（<200 F/g）、循环稳定性不足等问题。如何通过材料改性突破性能瓶颈，成为Delta State University of Science and Technology等机构的研究重点。

研究团队采用直接组合法（DCM）合成Co、Zn、Pb掺杂的ZIF-8@ZIF-67杂化材料，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、紫外-可见光谱（UV-Vis）等技术表征结构，并利用循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）评估电化学性能。

XRD分析显示所有材料保持ZIF框架结构，Pb掺杂样品晶粒尺寸为99.33 nm，晶格畸变显著。SEM/EDS证实Pb掺杂形成独特双纳米颗粒结构，EDS图谱显示Pb²⁺成功掺入（图2-3）。光学分析发现Pb掺杂材料带隙降至1.58 eV（图4），归因于Pb²⁺的6s/6p轨道与咪唑配体相互作用。电化学测试表明：CV曲线在5 mV/s时Pb掺杂比电容达969.32 F/g（图6）；Nyquist图谱显示其电荷转移电阻最低（图7a）；GCD测试中Pb材料能量密度（2.366 Wh/kg）远超Co掺杂（0.523 Wh/kg）；Zn掺杂则展现最优循环稳定性（4800次循环后保持85.2%）。

该研究通过精准调控ZIF杂化材料的金属掺杂，首次实现Pb²⁺对电子结构的显著优化，其窄带隙特性（1.58 eV）促进电荷快速转移，而双纳米颗粒形貌增加活性位点暴露。相比文献报道的ZIF-67/rGO（304 F/g）和CeO₂@ZIF-8（132 F/g），Pb掺杂材料将比电容提升至428.63 F/g，且功率密度达5728.04 W/kg。这一成果发表于《Clean Energy》，为设计"高能量密度-高稳定性"协同的下一代超级电容器提供了理论依据和材料模板。