高性能SrMg-MOF/PANI/rGO纳米复合材料在先进储能与氧还原反应中的突破性研究

《Synthetic Metals》：High-Performance SrMg-MOF/PANI/rGO-Based Nanocomposite for Advanced Energy Storage and Oxygen Reduction Reaction

本文报道了一种通过水热合成法制备的锶镁金属有机框架（SrMg-MOF）与聚苯胺（PANI）、还原氧化石墨烯（rGO）复合的新型纳米材料（SMMPr）。该材料在超级电容电池（supercapattery）应用中展现出卓越的比容量（1577 C g?1）、能量密度（74 Wh kg?1）和循环稳定性（5000次循环后保持85.1%容量），同时在氧还原反应（ORR）中表现出4.5电子转移路径的高效催化活性，为新能源存储与转换技术提供了创新解决方案。

　　

材料

硝酸锶Sr(NO₃)₂（纯度99.5%）、六水合硝酸镁Mg(NO₃)₂·6H₂O（纯度99.78%）、对苯二甲酸（H₂BDC）-C₈H₆O₄（纯度98.6%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（纯度98%）、氢氧化钾（KOH）（纯度99%）和氯化钾（KCl）（纯度97.95%）购自默克公司。活性炭（AC）通过将茶叶在799°C下碳化24分钟获得。Sigma Aldrich提供N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）（纯度98%）、炭黑。

组成与形态特性

通过扫描电子显微镜（SEM）进行的表面形态分析揭示了SMMPr纳米复合材料的形貌。图2(a)显示SMMP呈现不同尺寸的颗粒状形态。SMMPr的SEM图像表明rGO附着在SMMP的颗粒结构上。从SMMPr纳米复合材料的形状可以清楚地看出，形成了一个具有多个活性位点的基质复合材料。

结论

总之，我们首次通过简单的水热法成功合成了一种新型SMMP材料，并将其与rGO和PANI复合。rGO采用改良的Hummers法合成。电极采用三电极和两电极系统进行测量。SMMP和SMMPr电极在三电极系统中分别表现出令人印象深刻的比容量（Qs），分别为935 C g^-1和1577 C g^-1。组装的混合器件（SMMPr//AC）实现了74 Wh kg^-1的显著能量密度（Ed）和3252 W kg^-1的功率密度（Pd），并在5000次充放电循环后保持了85.1%的容量保持率，显示出优异的循环稳定性。此外，SMMPr电催化剂在1 M KOH中表现出高效的氧还原反应（ORR）活性，起始电位为0.67 V（相对于RHE），最大阴极电流出现在0.44 V。Koutecky–Levich分析揭示了4.5电子转移路径，表明其近乎完全的4电子还原过程。该催化剂在5000秒后仍保持约78%的初始活性，这显著表明了其电化学耐久性。这些发现凸显了SMMPr复合材料在先进能源存储和转换系统中的巨大应用潜力。