金属有机框架(MOFs)作为超级电容器固态电解质无机填料的研究

研究人员针对可再生能源存储需求，创新性地将HKUST-1、MOF-5和UiO-66三种MOFs作为无机填料应用于固态电解质。通过EIS测试发现UiO-66具有最高电导率(2.32×10-5 Scm-1)，添加NaCl后电导率进一步提升，其中UiO-66+10% NaCl达7.35×10-5 Scm-1。CV测试显示其具有优异的EDLC行为，为开发新型无粘结剂全固态电解质提供了新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的不断增长，开发高效、安全的能源存储设备成为当务之急。在众多储能技术中，超级电容器因其高功率密度和长循环寿命备受关注，但其核心组件——电解质的性能提升仍面临重大挑战。传统液态电解质存在泄漏风险，而固态电解质又普遍存在离子电导率低的问题。金属有机框架(MOFs)作为一种新兴的多孔材料，因其可调控的孔道结构和丰富的活性位点，为解决这一难题提供了新的可能。

马来亚大学的研究人员在《Results in Chemistry》上发表了一项创新研究，系统考察了三种典型MOFs（HKUST-1、MOF-5和UiO-66）作为固态电解质无机填料的性能。研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、粉末X射线衍射(PXRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对材料进行表征，通过电化学阻抗谱(EIS)测试离子电导率，并运用循环伏安法(CV)评估其电化学性能。特别值得注意的是，研究人员创新性地采用机械化学研磨法制备了无粘结剂的MOF基自立式电解质，避免了传统聚合物或离子液体添加剂的使用。

研究结果显示，三种MOFs中UiO-66展现出最优异的性能，其原始电导率达2.32×10^-5 Scm^-1。通过优化NaCl掺杂比例，发现不同MOFs存在各自的最佳掺杂量：HKUST-1为60%、MOF-5为40%、UiO-66仅需10%。其中UiO-66+10% NaCl体系的电导率提升至7.35×10^-5 Scm^-1，CV曲线呈现典型的双电层电容(EDLC)行为。通过BET测试发现，NaCl的引入虽然降低了材料的比表面积和孔体积，但通过部分非晶化过程创造了更多离子传输通道。特别有趣的是，MOF-5在掺杂后表现出反常的比表面积增加现象，研究人员推测这可能与其亲水框架吸水膨胀有关。

在机理研究方面，研究人员提出了Na⁺离子在MOFs孔道中的"跳跃"传输模型。UiO-66中丰富的Zr-OH和μ₃-OH极性位点能够与Na⁺形成较强的配位作用，促进离子传输；而HKUST-1和MOF-5由于缺乏强极性位点，需要更高盐浓度来实现有效传导。介电性能测试进一步证实，UiO-66基电解质在低频区表现出最高的介电常数(28.2)，表明其具有更强的电荷存储能力。

这项研究的重要意义在于首次系统比较了三种典型MOFs作为固态电解质填料的性能差异，揭示了材料结构与离子传输性能的构效关系。特别是UiO-66在低盐掺杂量下即可实现较高电导率的发现，为开发新型无聚合物固态电解质提供了重要参考。研究人员指出，未来可通过表面修饰或封装技术进一步提高材料的湿度稳定性，使其更适用于实际储能设备。这项工作不仅拓展了MOFs在能源领域的应用前景，也为设计高性能固态电解质提供了新的材料选择和研究思路。