新型铜基MOF接枝聚(n-丁基甲基丙烯酸酯-2-丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵)电极的合成与表征：用于对称与非对称超级电容器应用

《Journal of the Indian Chemical Society》：Synthesis and Characterization of New Copper-MOF grafted poly (n-butyl methacrylate-co-2-acryloyloxy ethyl trimethyl ammonium chloride) electrode for symmetric and asymmetric supercapacitor applications

本研究通过界面聚合方法合成了铜金属有机框架接枝共聚物（Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs），并作为对称/不对称超级电容器电极材料。对称电池在1 A g?1电流密度下比电容达479 F g?1，功率密度720.51 W kg?1，能量密度33.49 Wh kg?1；不对称电池经5000次循环后保持80.5%电容，展现出优异的电化学性能和稳定性。

　　### 中文解读：基于铜金属有机框架的新型电极材料及其在超级电容器中的应用

近年来，随着能源存储技术的快速发展，超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力以及长循环寿命等优势，逐渐成为新一代储能设备的重要组成部分。然而，超级电容器的能量密度相较于传统电池仍存在一定局限，这促使科研人员不断探索新的电极材料以提高其性能。本研究提出了一种新颖的合成方法，通过界面聚合技术成功制备了一种具有两亲性的铜金属有机框架（Cu MOF）接枝聚（BMA-co-AEAC）材料（Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs），并将其应用于对称和不对称超级电容器中，展现出卓越的储能性能。

#### 1. 材料合成方法与机制

本研究中，首先通过接枝共聚反应合成了一种基于单钠谷氨酸（monosodium glutamate）的两亲性聚合物——单钠谷氨酸接枝聚（BMA-co-AEAC）（MG-graft-PBMA-co-AEACs）。该反应利用过硫酸铵（APS）作为引发剂，将单钠谷氨酸的氨基转化为自由基，随后与疏水性的丁基甲基丙烯酸酯（BMA）和亲水性的2-(丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵（AEAC）进行共聚，最终形成具有两亲性特性的接枝聚合物。该材料在合成过程中保持了原始MOF的结构特征，为后续的界面聚合提供了良好的基础。

在后续的界面聚合过程中，将上述接枝聚合物与DL-天冬氨酸进行反应，进一步引入铜离子，从而形成Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs。该合成方法的优势在于能够保持原始MOF的结构，同时通过化学修饰赋予材料新的电化学性能。这种两亲性材料的设计使其在储能过程中具备了同时发挥双电层电容和赝电容的潜力，从而提升了整体的储能能力。

#### 2. 材料表征与性能分析

为了全面评估所合成材料的化学结构和物理特性，研究者采用多种分析手段进行表征。首先，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了MG-graft-PBMA-co-AEACs和Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的表面官能团和化学结构。结果表明，BMA和AEAC的甲基丙烯酸酯基团在特定波数范围内显示出明显的吸收峰，进一步验证了其成功接枝。此外，单钠谷氨酸的羧基和天冬氨酸的羧酸基团也与铜离子形成了稳定的化学键，表明Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的结构具有高度的稳定性。

为了进一步确认材料的化学结构，研究者还采用了核磁共振（NMR）技术。1H NMR谱显示，MG-graft-PBMA-co-AEACs中，单钠谷氨酸的氨基和甲基丙烯酸酯基团均表现出明确的信号，而Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的NMR谱则显示了由于铜离子的存在导致的信号变化，进一步验证了其与接枝聚合物之间的相互作用。

X射线衍射（PXRD）分析则用于研究材料的晶体结构。结果显示，MG-graft-PBMA-co-AEACs呈现出非晶态结构，而Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs则显示出一定的结晶性，这与铜金属有机框架的形成密切相关。此外，扫描电镜（FE-SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）图像显示，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs具有多孔结构和丰富的表面活性位点，这为其在超级电容器中的应用提供了物理基础。这些孔隙不仅有助于电解质离子的快速传输，还能提高材料的比表面积，从而增强电容性能。

为了更精确地评估材料的表面特性，研究者还进行了比表面积和孔径分布分析（BET）。结果表明，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的比表面积为49.188 m2/g，且其孔径分布主要集中在介孔范围内，这种结构有利于提高材料的离子扩散速率和电荷存储能力。此外，热重分析（TGA）进一步揭示了该材料在高温下的热稳定性，显示出70%的总质量损失，表明其在高温条件下仍能保持良好的结构完整性。

#### 3. 超级电容器性能评估

本研究重点评估了Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs在对称和不对称超级电容器中的性能。在对称超级电容器中，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs表现出极高的比电容，达到479 F/g，同时其最大功率密度为720.51 W/kg，能量密度为33.49 Wh/kg。这些数值远高于传统电极材料，表明该材料在储能性能上具有显著优势。

为了进一步验证其性能，研究者还构建了不对称超级电容器，其中Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs作为正极材料，活性炭（AC）作为负极材料。这种组合在对称和不对称结构中均表现出良好的电化学性能。在CV测试中，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的氧化还原峰表明其具有赝电容特性，且在不同扫描速率下，其比电容表现出良好的可逆性。这说明该材料不仅能够高效存储电荷，还能在宽电压范围内稳定运行。

在恒流充放电（GCD）测试中，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs在不同电流密度下均显示出较高的比电容，表明其具有良好的电荷存储能力。此外，该材料在5000次充放电循环后仍能保持80.5%的初始电容，表现出优异的循环稳定性。这一特性使其在实际应用中具有更高的可靠性。

#### 4. 材料优势与应用前景

Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs的优异性能源于其独特的两亲性结构和多孔性。这种材料不仅具备较高的比表面积，还能通过调整其化学结构进一步优化电化学性能。其两亲性特性使其能够在不同的电解质环境中表现出良好的兼容性，同时其多孔结构有利于电解质离子的快速扩散，从而提高充放电效率。

此外，该材料的合成方法简单、环保且易于规模化，这为其在实际生产中的应用提供了可能。相较于传统的金属氧化物或导电聚合物，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs在能量密度和功率密度方面均表现出优势，尤其是在水性碱性电解质环境中，其性能更加稳定。这使得该材料在未来的储能设备中具有广泛的应用前景，包括便携式电子设备、智能电网和电动汽车等。

#### 5. 未来发展方向

尽管本研究已经展示了Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs在超级电容器中的卓越性能，但仍有进一步优化的空间。例如，可以通过改变接枝聚合物的化学组成，调整材料的孔隙结构和表面官能团，以进一步提高其比电容和循环稳定性。此外，研究者还可以探索该材料在其他储能设备中的应用，如锂离子电池和钠离子电池，以拓展其应用范围。

同时，该材料的合成方法也可以进一步优化，以降低成本并提高生产效率。目前，该材料的合成依赖于界面聚合技术，这一过程需要精确控制反应条件，如温度、pH值和反应时间等。通过改进这些参数，可以提高材料的纯度和一致性，从而提升其在实际应用中的性能。

综上所述，Cu MOF-graft-PBMA-co-AEACs作为一种新型电极材料，展现出在超级电容器领域的巨大潜力。其高比电容、优异的循环稳定性和良好的热稳定性使其成为未来高能量密度储能设备的理想选择。随着研究的深入，该材料有望在更广泛的应用场景中发挥重要作用，为能源存储技术的发展提供新的思路和解决方案。