05月16日，《先进材料》（Advanced Materials）以研究长文形式刊发了实验室冯光教授团队关于导电MOF超级电容器的最新研究成果。论文题目为《有机溶剂提升导电 MOF 超级电容器的电荷存储和充电性能》（Organic Solvent Boosts Charge Storage and Charging Dynamics of Conductive MOF Supercapacitors）；煤燃烧与低碳利用全国重点实验室为第一单位。
超级电容器因具有功率密度高、循环寿命长等优点，是一种新型绿色的储能装置。在电极和电解液方面：由于具有高电导率、孔径可调且孔道单一等特点，导电金属有机骨架材料（c-MOFs）已成为一种新型、可设计的超级电容器电极材料；离子液体具有热稳定性强和电化学窗口宽等特点，是一种极具应用前景的电解液。近期研究表明将c-MOF与离子液体组合可提高储能性能，然而c-MOF电极的纳米限域和离子液体的高粘性会阻碍离子传输，这成为开发基于c-MOF电极和离子液体电解液的高性能超级电容器的关键难题。有关多孔碳超级电容器的文献表明，添加有机溶剂可以提高功率密度，但对能量密度的改善有限；而c-MOF离子液体超级电容器在溶剂效应下的储能机制尚不明晰。因此，深入理解纳米孔内复杂的相互作用并克服离子传输限制，对于优化和设计c-MOF离子液体超级电容器至关重要。
冯光教授团队以开发的恒电势分子模拟为主要研究手段，研究有机溶剂对c-MOF离子液体超级电容器的电荷储存和充电动力学的影响。模拟预测加入摩尔比（IL/ACN）为0.107的有机溶剂ACN时，超级电容器体系的储能容量翻倍且充电速度可提高约6倍。随后通过优化实验工艺，合成了高结晶度的c-MOF晶体（比表面积为1023 m2 g-1超过了此前文献报道的最高值884.7 m2 g-1，更接近理论值1153 m2 g-1），并发展了连接分子模拟与宏观电化学实验的多尺度模型，进一步验证了分子模拟的预测结果。该储能性能提升的机理在于溶剂起到两个关键作用：首先是充当“ionophobic agent”，控制孔的疏离子性并打破阴阳离子间的耦合作用，促使储能容量提升；其次作为“ion traffic police”，通过创造干扰很少的离子传输“高速公路”来疏通复杂的共离子和反离子运动路径，从而加快充放电。
该工作不仅深入探究了有机溶剂对c-MOF离子液体超级电容器储能机制的影响，同时建立起连接微观模拟和宏观电化学表征的桥梁。这一研究结果，结合前期有关c-MOF离子液体超级电容器的工作（Nature Materials 2020, 19, 552），不仅为设计兼具高能量密度和高功率密度的多孔电极超级电容器提供了新思路和新方案，还对二次电池、离子液体门控和电润湿等领域具有重要的指导意义。
该论文的共同第一作者分别为实验室的博士后陈明和博士生吴泰征、牛良，通讯作者为冯光教授。该工作得到了国家自然科学基金项目（T2325012, 52106090, 52161135104）、华中科技大学学术前沿青年团队、博士后特别资助项目（2022T150228）和武汉超算中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202403202
