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本研究采用水热法合成羟基功能化Zr-MOFs材料，包括UiO-66及其衍生物UiO-66-OH1-C和UiO-66-OH2-C，通过PXRD、FTIR和SEM验证结构特征，并评估其超级电容器性能。实验表明羟基修饰的UiO-66-OH2-C在1 A·g?1电流密度下比电容达550 F·g?1，组装的不对称超级电容器能量密度17.78 Wh·kg?1，功率密度790 W·kg?1，循环稳定性保持89.7%。
张浩|苏海尔·艾哈迈德|王浩|阿卜杜斯·萨米|阿里杰·法蒂玛|曾钊|阿伊曼·A·阿里|阿尔沙雷夫·穆罕默德|阿卜杜拉·H·阿尔沙赫里|穆罕默德·M·法达利
贵州工程科学大学化学工程学院，中国贵州毕节市551700
摘要
本研究采用溶剂热技术制备了基于锆的金属有机框架（Zr-MOFs），具体包括UiO-66、UiO-66-OH1-C和UiO-66-OH2-C。通过粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对所得材料进行了分析。这些结构被用作超级电容器电极材料。利用电化学阻抗谱（EIS）、恒电流充放电（GCD）和循环伏安法（CV）系统评估了结构功能化对电化学性能的影响。通过优化电流密度、扫描速率和电解质浓度等参数来评估其储能能力。在所有测试的MOFs中，经过羟基功能化的UiO-66-OH2-C表现出优异的储能性能，在1 A·g-1的电流下具有550 F·g-1的比电容。此外，使用UiO-66-OH2-C和活性炭组装的非对称超级电容器在790 W·kg-1-1-1-12-C是下一代储能设备的有希望的候选材料。
引言
为了满足对可穿戴和便携式电子产品日益增长的需求，必须开发出结合高性能、轻量化设计和小型化的储能解决方案。因此，为了提高21世纪的生活质量，人们非常关注包括太阳能电池、电池、超级电容器（SCs）、燃料电池和其他可持续能源解决方案在内的零排放技术。其中，超级电容器作为一种潜在的有用可持续能源存储技术受到了广泛关注。它们的优异特性，如优异的循环稳定性、高功率密度和快速的充放电能力，使其越来越受欢迎。在超级电容器中，电极材料的特性决定了储能方式：电池型材料在充放电过程中发生扩散控制的法拉第过程，电双层电容器通过静电积累电荷来储存能量，而赝电容材料则通过快速且可逆的表面氧化还原反应储存电荷。尽管如此，超级电容器仍面临能量和功率密度有限的挑战，这限制了其更广泛的应用。
在过去十年中，金属有机框架（MOFs）因其卓越的吸附性能而受到了广泛关注，这些性能超过了传统的有机和无机材料。金属有机框架（MOFs）是由无机金属节点和有机连接剂组成的多孔晶体材料。由于其可定制的拓扑结构、高表面积以及可改变的化学组成，MOFs在传感、气体储存与分离、能量储存与转换、水吸附、锂离子储存和催化等领域具有巨大潜力。为了合理设计功能性MOFs，需要对其原子级结构进行精确测定，这需要理解结构与活性的关系。MOFs的性能直接受重要微观结构特征的影响，包括表面、界面、缺陷和客体-宿主相互作用。对于复合材料、基于MOFs的设备和等离子晶体而言，界面至关重要；表面对生长和表面相关性质有显著影响，而缺陷则提供了调节孔隙率和创建配位不饱和金属位点的机会，从而实现定制功能。此外，有序的多孔框架可以被客体物种（离子、团簇、颗粒或分子）占据，从而改变其性质。
就超级电容器而言，由锆（Zr）金属节点和有机连接剂组成的UiO-66具有多种提高储能效率的有益特性。为了充分利用其潜力，科学家们研究了多种将UiO-66添加到电极材料中的方法。一种流行的方法是制备UiO-66纳米颗粒，然后将其与导电聚合物、石墨烯或碳纳米管等导电基质结合。导电聚合物可以显著增强UiO-66的固有导电性。然而，多种材料的结合可能会引发兼容性问题。为克服这些困难，研究表明修改UiO-66的合成过程并引入更多功能基团可以在保持结构稳定性的同时提高储能容量。已报道的方法包括优化合成参数（如温度和混合速度）以及制备双金属UiO-66框架（例如Zn/Zr）。后合成改性也可以增强MOFs的电化学活性。同时，石墨烯的电双层电容特性使其成为超级电容器非常成功的电极材料。尽管还需要进一步研究，但关于通过石墨化提高UiO-66电活性的工作还很少。
在本研究中，UiO-66-OH1-C和UiO-66-OH2-C是从母体UiO-66结构衍生出的基于锆的金属有机框架（MOFs）。UiO-66-OH1-C的化学式为Zr6O4(OH)4(O2C–C6H3(OH)–CO2)6，而UiO-66-OH2-C的有机连接剂上含有额外的羟基。在这两种结构中，刚性的Zr6O4(OH)4八面体通过2-羟基对苯二甲酸或2,5-二羟基对苯二甲酸连接剂上的十二个羧基相互连接。在乙酸存在下进行溶剂热合成可以在框架内产生缺失的连接剂缺陷，从而提高孔隙率、增加羟基含量并暴露更多的锆位点。这些结构缺陷改善了吸附性能、基底吸附能力和催化活性，使UiO-66-OH1-C和UiO-66-OH2-C在催化和吸附应用中表现出高效率。
材料与试剂
本研究中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。Sigma-Aldrich提供了四氯化锆（ZrCl4，≥99.5%）和八水合氯氧化锆（ZrOCl2·8H2O，99%）。ChemicalBook、TCI America和Fisher Scientific提供了有机连接剂2-羟基对苯二甲酸（≥98%）、2,5-二羟基对苯二甲酸（97%）和1,4-苯二甲酸（BDC，99%）。还使用了去离子水（DI水）和冰醋酸（≥99%）。
形态分析
使用扫描电子显微镜（SEM）分析了UiO-66、UiO-66-OH1-C和UiO-66-OH2-C的形态和结构，如图2所示。通过SEM分析验证了原始MOF及其羟基功能化衍生物的结构特性和成功制备；发现形态对电化学性能具有重要影响。在SEM观察之前，先在样品表面溅射了一层Pt涂层以确保...
结论
本研究通过溶剂热法合成并功能化羟基修饰的金属有机框架UiO-66-OH2-C，提出了一种改进超级电容器电极材料的新方法。本研究的关键科学贡献包括将–OH基团引入UiO-66框架中，从而增强了电子传输、增加了离子可及的活性位点，并优化了孔结构以高效储能。此外...
作者声明
我们声明本手稿是原创的，之前未发表过，也未在其他地方考虑发表。我们确认所有列出的作者均已阅读并批准了该手稿，并且没有其他符合作者资格但未列入名单的人。我们还确认所有人都同意手稿中列出的作者顺序。
CRediT作者贡献声明
王浩：方法学、研究、数据分析。
阿卜杜斯·萨米：可视化、验证、软件。
张浩：撰写——初稿、资源获取、方法学、研究、资金筹集、数据管理、概念构思。
苏海尔·艾哈迈德：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法学、研究、资金筹集、数据管理、概念构思。
穆罕默德·M·法达利：可视化、验证、监督、软件、方法学。
阿尔沙雷夫·穆罕默德：可视化、软件
数据可用性声明
所有相关数据均可根据要求向作者索取。
利益冲突声明
作者声明与本文的研究、作者身份或发表无关的任何利益冲突。本工作得到了贵州省固体功能材料科技创新领军人才工作站（KXJZ [2024]015）、新型锂离子电池材料研发重点实验室（2023-2028）的支持。此外，还得到了贵州工程科学大学高层次人才研究启动基金（编号YuanKe [2025] No. 01）的支持。
致谢
感谢贵州省固体功能材料科技创新领军人才工作站（KXJZ[2024]015）、新型锂离子电池材料研发重点实验室（2023-2028）以及毕节市的联合科技项目（编号2025–121和2025–40）的支持。同时，也感谢贵州工程科学大学的高层次人才研究启动基金（编号YuanKe [2025] No. 01）以及沙特阿拉伯泰夫大学的支持项目（编号TU-DSPP-2024-70）。
