综述：MOF基杂化材料在超级电容器和气体传感器领域的变革性进展：可持续技术的多功能平台

本综述系统阐述了金属有机框架（MOF）及其复合材料在超级电容器（能量存储）和化学电阻式气体传感器（环境监测）中的最新研究进展。文章重点探讨了通过调控MOF的结构、构建复合材料（如与导电聚合物、碳材料、金属氧化物复合）以及制备MOF衍生物（如多孔碳、金属氧化物）等策略，来解决其本征电导率低、稳定性不足等挑战，从而提升器件性能（如灵敏度、选择性、能量密度和循环寿命），为可持续能源与环境技术提供了多功能材料平台。

　　

引言

向清洁和可持续能源系统的过渡对于应对全球环境挑战至关重要。在此背景下，用于能量存储的超级电容器和用于环境监测的气体传感器已成为促进能源和生态可持续性的关键技术。材料科学的进步使得多功能平台的开发成为可能，其中金属有机框架（MOF）因其高比表面积、可调孔隙率、明确的结构和丰富的活性位点而脱颖而出。这些特性使MOF非常适用于超级电容器和气体传感应用。尽管取得了这些进展，但全面评述MOF及其复合材料在化学电阻式气体传感器和超级电容器中双重应用的综述仍然有限。本文旨在弥合这一差距，对最新进展进行统一概述，并研究材料结构如何影响器件功能。

化学电阻式气体传感器

气体传感研究领域近年来取得了显著发展，受环境监测、工业安全和医疗保健等领域对高灵敏度、高选择性气体检测系统日益增长的需求所驱动。在各种类型的传感器中，化学电阻式传感器因其选择性、高灵敏度、易于制造和紧凑设计而尤为重要。MOF基气体传感器在几个关键特性上表现出色。首先，MOF的持久孔隙率提供了高比表面积和众多的活性位点，增强了气体吸附和传输，从而提高了传感器的灵敏度。其次，MOF可以定制具有特定的孔径、几何形状和物理化学特性，从而实现特定分析物的选择性吸附，带来更高的选择性。此外，MOF的高结晶度和规则周期性排列使得能够在分子水平上关联由主客体相互作用引起的结构和性质变化。

原始3D MOF：结构完整性与本征传感特性

MOF具有高比表面积和多样的结构可调性，使其能够应用于各种催化、气体分离和气体传感领域。ZIF-67（Co(mim)₂；mim = 2-甲基咪唑）是第一个被研究用于气体传感应用的MOF。它显示出1.98 eV的窄带隙和高比表面积（1832.2 m²/g）。该传感器在150 °C下对100 ppm甲醛显示出13.9的最大响应。由于其巨大的比表面积，ZIF-67表现出对甲醛分子的高吸附能力。

MOF衍生的金属氧化物

MOF在高温下煅烧会使有机配体分解，形成金属氧化物，这些氧化物保留了原始结构的形貌，从而保持了材料固有的比表面积和孔隙率。此外，这种转化解决了MOF的固有局限性，如其较差的导电性（源于有限的轨道重叠，限制了有效的电荷载流子传输）。过渡金属氧化物，包括ZnO、CuO、Co₃O₄等，已被证明是有效的传感材料。例如，由ZIF-8衍生的多孔ZnO纳米框架对乙醇蒸气表现出高响应和快速响应/恢复特性。类似地，由MOF制备的Co₃O₄中空纳米笼对丙酮表现出优异的传感性能，这归因于其大的比表面积和丰富的活性位点。

超级电容器

能源对于现代人类日常生活的需求至关重要。在从化石燃料向更清洁、更可持续能源过渡的背景下，储能设备的重要性变得更为关键。超级电容器通过电解质离子与电极材料之间的相互作用来存储和传递能量，提供了一种解决方案。电极材料的选择对超级电容器的性能至关重要。典型的超级电容器电极材料包括碳基材料、过渡金属氧化物/硫化物和导电聚合物。但这些材料都存在一些局限性；金属氧化物循环稳定性相对较低，碳质材料尽管具有良好的比表面积，但其非晶性质限制了对其电化学性能的控制，而导电聚合物的化学和热稳定性较低。

MOF在超级电容器中的应用

作为超级电容器的电极材料，MOF具有超高的孔隙率、可调的孔径分布、易于合成和强大的结构灵活性等优势。由于其独特的品质和简单的合成技术，MOF在超级电容器的最新发展中引起了相当大的兴趣。它们由不同的金属（例如Ni、Cu、Co、Mn、Zr、Fe、Cr和Zn）与有机连接体（例如BDC、BTC、氨基-BDC和咪唑）组合而成。MOF的高孔隙率有利于电解质离子的快速扩散，而其可调的化学结构允许设计具有特定氧化还原活性的材料，用于赝电容存储。

MOF复合材料用于超级电容器

MOF本身通常导电性较低，因此将其与碳材料、金属氧化物和导电聚合物等其他导电材料集成，可以增强其导电性，并最终提高其电化学性能。将微孔材料与石墨烯有效结合，可以在不改变MOF基本结构或组成的情况下提高其电导率，并应用于电化学领域。通过在多孔MOF结构中引入导电聚合物，可以协同结合MOF的高孔隙率和聚合物的高导电性，从而获得优异的电化学性能。

混合金属MOF

多年来，人们对具有大孔体积和高比表面积的MOF进行了大量研究。然而，它们的低稳定性和差导电性仍然是其在超级电容器中应用的主要障碍。MOF的稳定性问题可以通过使用双金属或多金属MOF（也称为混合金属MOF）来增强，其中两种或多种金属离子被整合到同一个MOF结构中。这可能会改变材料的物理和化学性质，例如提高框架的稳定性和导电性，从而改善超级电容器的电化学性能。

MOF衍生的材料用于超级电容器应用

MOF被用作前驱体或模板来生成高度多孔的碳（PC）、金属氧化物/氢氧化物、金属硫化物及其复合材料，这些材料作为超级电容器的电极材料表现出卓越的电化学性能。MOF在热力学上具有中等稳定性，这有利于将其可控地转化为无机材料以调整衍生物结构。此外，与原始MOF相比，MOF衍生材料表现出增强的热稳定性和化学稳定性。

总结与结论

本综述重点介绍了MOF和MOF基材料在提高气体传感器和超级电容器性能方面的作用。采用了各种优化策略，以有效利用其独特的结构和架构特性来实现这些应用。MOF在气体传感和能量存储方面表现出卓越的潜力，这主要归功于其高比表面积、可调孔隙率和结构多样性。通过构建复合材料、制备衍生物和设计混合金属MOF等策略，可以克服其本征导电性差和稳定性不足等挑战。未来的研究应继续探索新的MOF结构、优化复合界面工程，并推动这些多功能材料在可持续技术中的实际应用，以应对全球能源和环境挑战。