近年来,便携式高性能储能系统受到了越来越多的关注[1]。其中,超级电容器因其快速的充放电速度、优异的循环稳定性和高功率密度而备受青睐[[2], [3], [4], [5]]。为了提高超级电容器的能量密度,人们不断开发能够在单位体积或质量内储存大量能量的电极材料[6,7]。目前,基于碳的材料、导电聚合物和过渡金属化合物被用作电极材料,以提升超级电容器的比电容和能量密度[[8], [9], [10], [11]]。由于碳基材料具有广泛的可用性、低成本、简单的制备过程、可控的形状以及优异的稳定性,其在超级电容器电极材料领域受到了越来越多的关注[12,13]。
有机框架材料在储能、电催化和光催化领域展现了显著的应用潜力[[14], [15], [16]]。金属有机框架(MOF)是一种具有大表面积、高孔隙率和可控结构的多孔晶体材料,在储能领域具有很大的应用潜力[[17], [18], [19], [20]]。然而,MOF的低导电性限制了其在电化学储能系统中的实际应用[[21], [22], [23]]。通过碳化将MOF转化为MOF衍生的多孔碳可以有效提高其导电性[24,25]。此外,MOF衍生的多孔碳中的金属簇可以提供额外的赝电容位点,从而增强电容[26]。不过,MOF衍生的多孔碳仍存在一些缺点:首先,碳骨架的机械稳定性较差,容易导致多孔结构的坍塌和破坏,因此需要在外层包裹一层保护壳;其次,MOF衍生的多孔碳的加工性能较差。将MOF衍生的多孔碳负载到导电基底(如碳纤维、石墨烯、导电聚合物和碳纳米管)上是制备自支撑电极的合适方法[[27], [28], [29], [30]]。
本研究利用多巴胺(PDA)的帮助,将Ni-MOF衍生的中空多孔碳原位负载到碳化纤维素纸上,制备出碳化纸支撑电极。像Ni-MOF这样的基于过渡金属的MOF因其大的表面积、可调的拓扑结构和出色的性能特性而受到广泛关注[31]。从Ni-MOF衍生的金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物等复合材料具有高导电性、高稳定性以及较大的比表面积,并且能够保持MOF框架的覆盖面积和渗透性[32,33]。PDA可以与Ni-MOF中的金属离子螯合形成涂层,在碳化后,PDA在Ni-MOF表面的涂层会转化为碳壳,抑制Ni-MOF衍生的多孔碳的结构坍塌和颗粒聚集。经过酸蚀处理后,形成了中空多孔碳,在内外表面都提供了丰富的电化学活性位点。碳化纸作为基底材料,可以消除电极中的无效质量,从而提高电子传输效率。此外,MOF衍生的中空多孔碳与碳化纸的结合可以提高电极材料的机械强度、比表面积和表面润湿性。该电极表现出高体积比电容(101.4 F cm?3, 0.5 mA cm?2)和良好的长期稳定性(10,000次循环后仍保持94.7%的电容)。使用这种碳化纸支撑电极组装的超级电容器在1.6 mW cm?2的功率密度下达到最大能量密度4.5 mWh cm?2