近日，《自然·材料》杂志刊发了华中科技大学冯光教授团队与伦敦帝国理工学院Alexei A. Kornyshev教授（共同通讯作者）等人基于导电MOFs材料和离子液体的超级电容器的最新研究成果“Molecular understanding of charge storage and charging dynamics in supercapacitors with MOF electrodes and ionic liquid electrolytes”（Nature Materials, 2020, 19, 5, 552–558, DOI: 10.1038/s41563-019-0598-7）。 

　　双电层超级电容器的性能极大地取决于电解质与电极材料的选择。其中，作为近二十年来迅速发展起来的一种新型电解质，离子液体具有很好的热稳定性、极低的挥发性、不可燃不爆炸等优点，且可以承受更高的工作电压（4~6 V），从而能提升超级电容器的能量密度。就电极材料而言，相比多孔碳材料，金属有机骨架材料（MOFs）能具有更大的比表面积（可达10000 m² g^-1），且具有孔隙率高、结构高度有序、稳定性好、性质易调节等优点，因此在能源存储与转换等方面呈现出广阔的发展前景。近年来，MOFs在超级电容器领域中的研发有了飞速发展。因此，离子液体与导电MOFs的组合有望为超级电容器提供更高的能量与功率密度。 

　　另一方面，对超级电容器的理论研究有助于缩减实验研究成本并提高人们对双电层超级电容器的设计能力。从理论研究角度来看，对导电MOFs电极的模拟相比于传统多孔碳电极具有明显的先天优势。 

　　该团队根据MOFs具有其分子尺度模型能体现实际结构的特点，结合分子动力学模拟计算和电化学实验测量，研究了导电MOFs和离子液体组成的新型超级电容器的电容特性和储能机理。结果表明导电MOFs是一种很有发展前景的电极材料：其能量密度可与目前性能最优的多孔碳材料相媲美，而且其阻抗更小、更有利于充电。特别是，本文从微观界面传质与能量传递的角度出发，通过模拟研究导电MOFs和离子液体形成的双电层固液界面（界面结构、组分浓度分布与输运），获得其电容特性，并提出了一种跨尺度模拟方法，使得微观分子动力学下的结果可以用于准确预测超级电容器在宏观实验测量中的性能，且模拟结果与实验测量定量吻合——当前被广泛研究的多孔碳材料无法获取如此接近的比较。 

图1 基于导电MOF电极和离子液体电解质的超级电容器的分子动力学模拟系统示意图。（a）分子动力学模拟系统的快照，整个系统由两个对称的导电MOF电极浸没在离子液体中构成；（b）所研究的三种导电MOFs中的有机配体的分子结构；（c）三种导电MOFs的晶体结构示意图与孔径大小；（d）离子液体[EMIM][BF₄]的粗粒化分子模型。 

　　（摘自研之成理公众号）