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Core@Shell Fe 3 O 4 @Metal–Organic Frameworks as Electrode Materials for Supercapacitors

材料科学 超级电容器 电解质 纳米技术 电容 氧化物 电化学 电极 化学工程 纳米尺度 法拉第效率 假电容器 氧化还原 金属有机骨架 多孔性 纳米颗粒 储能 电流密度 混合材料 金属 功率密度
作者
Saumaya Kirti,Nav Deepak,Shobha Shukla,Sumit Saxena
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (25): 12066-12080
标识
DOI:10.1021/acsanm.6c01932
摘要

Ensnaring an active guest molecule within a metal–organic framework (MOF) is a promising method for enhancing the functionality of pristine MOFs. Unlike typical guest encapsulation in MOF cavities, core@shell nanoarchitectures offer superior pore accessibility, which ensures optimal ion diffusion pathways on the nanoscale. Additionally, this nanoscale arrangement prevents active guest agglomeration and leaching while promoting enhanced interactions between the core and shell, resulting in synergistic effects. By utilizing a sequential growth strategy, we synthesized a core@shell nanohybrid MOF, Fe 3 O 4 @Mn-MOF-NH 2 . This hybrid combines a Mn-based MOF with a metal oxide to achieve both redox hopping and a through-layer mechanism of charge transport in a single system. The nanoscale core@shell architecture integrates a redox-active metal oxide nanocore with a porous MOF nanoshell, enabling the simultaneous operation of redox hopping and through-layer charge transport mechanisms within a single nanoengineered system, a feature unattainable in either pristine component alone. The synthesized nanohybrid was used as an electrode material for the supercapacitors. The Fe 3 O 4 @Mn-MOF-NH 2 nanohybrid showed a specific capacitance of 300 F/g, nearly 200% higher than that of the individual components, due to the synergistic effect of the nanoengineered core@shell interface. It also retained 87% capacitance with 100% Coulombic efficiency after 1000 cycles, underscoring the structural robustness and electrochemical stability of the nanoarchitecture. Moreover, an asymmetric device Fe 3 O 4 @Mn-MOF-NH 2 //activated carbon with a PVA-H 2 SO 4 gel electrolyte delivered an energy density of 25.8 Wh/kg at a power density of 600 W/kg and showed stable performance over 10,000 cycles. These results showcase the untapped potential of core@shell nanoarchitectures as promising electrode materials for supercapacitors and their potential to open avenues for futuristic energy storage applications.
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