Ленинский просп., д. 29, Москва, 119991;
Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049
Муратов Дмитрий Геннадиевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник (1), доцент (2)
29 Leninsky Ave., Moscow 119991;
4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049
Dmitriy G. Muratov — Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher (1), Associate Professor (2)
Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049
Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор
4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049
Lev V. Kozhitov — Dr. Sci. (Eng.), Professor
Университетский просп., д. 100, Волгоград, 400062
Запороцкова Ирина Владимировна — доктор физ.-мат. наук, профессор, директор института приоритетных технологий
100 Universitetsky Ave., Volgograd 400062
Irina V. Zaporotskova — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Director of the Institute of Priority Technologies
ул. Железнодорожная, д. 24, Подольск, 142103
Попкова Алёна Васильевна — старший научный сотрудник
24 Zheleznodorozhnaya Str., Podolsk 142103
Alena V. Popkova — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher
Волоколамское ш., д. 4, Москва, 125993
Слепцов Владимир Владимирович — доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой радиоэлектроники, телекоммуникаций и нанотехнологий
4 Volokolamskoe Highway, Moscow 125993
Vladimir V. Sleptsov — Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Radio Electronics, Telecommunications and Nanotechnology
Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049
Зорин Артём Викторович — аспирант, кафедра технологийматериалов электроники
4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049
Artem V. Zorin — Postgraduate Student
Представлен обзор различных видов металлорганических каркасов (МОК) и особенностей их структуры, представлена классификация. Рассмотрены основные методы и подходы к синтезу как самих МОК, так и композиционных материалов на их основе.
Структура МОК представляет собой регулярную трехмерную решетку, образованную органическими линкерами и металлическими кластерами. На примере анализа литературных данных по синтезу МОК и изучению их структуры показано, что характер взаимосвязей и типы металлов могут существенным образом влиять на пространственное построение и размер кристаллов МОК: они могут быть нано-, микро- и мезоразмерными, плотными и пористыми, объемными и слоистыми. Это все определяет их широкий спектр свойств и возможности применения.
Рассмотрены перспективы и способы управления и контроля формы кристаллов, их размера и пространственным взаимосвязям между органическими компонентами и ионами металлов.
Основное внимание уделено цеолитоподобным каркасам (ZIF) как наиболее интересным с точки зрения строения, синтеза и применения в качестве материалов для электрохимических источников тока. Рассмотрены возможности модификации и контроля свойств этих МОК и композиционных материалов на их основе за счет управления составом, создания пористых структур и внедрения в них примесей, в том числе и с магнитными свойствами. Представлены различные варианты синтеза сложных композиционных материалов путем контролируемого пиролиза МОК как простого и масштабируемого процесса. Продемонстрировано влияние условий термообработки на конечные свойства, а также перспективы использования таких материалов в приложении электрохимии.
В качестве одного из вариантов изменения свойств МОК и композиционных материалов на их основе представлен подход, основанный на легировании МОК со структурой ZIF-67 другим металлом. В частности, научным коллективом авторов реализован синтез кобальтовых МОК, в которых кобальт частично замещен марганцем на стадии синтеза. Помимо этого, использована простая методика синтеза путем соосаждения в водном растворе, модифицированная ультразвуковым воздействием, которое сокращает продолжительность синтеза. Электрохимические исследования показали, что удельная электрохимическая емкость электродов из пиролизованных МОК с частичным замещением кобальта на марганец значительно выше, чем у материалов без марганца. С увеличением содержания марганца в МОК возрастает как удельная емкость, так и плотность энергии. Легирование МОК марганцем позволяет значительно (от 100 до 298 Ф/г при плотности тока 0,25 А/г) улучшить электрохимические характеристики материалов электродов для гибридных суперконденсаторов на их основе. Полученные авторами результаты свидетельствуют о том, что замещение кобальта марганцем является эффективным способом повышения электрохимических характеристик МОК.
Продемонстрировано, что разработка новых подходов к дизайну композитных материалов на основе МОК, а также исследование физико-химических закономерностей взаимодействия этих материалов с различного рода носителями является актуальной задачей.
This paper presents an overview of various types of organometallic frameworks (MOFs), their structural features, and classification. The main methods and approaches to the synthesis of both MOFs and composite materials based on them are also considered.The structure of MOFs is a regular three-dimensional lattice formed by organic linkers and metal clusters. The nature of interconnections and types of metals can significantly affect the spatial structure and size of MOF crystals. MOFs can be nano-, micro-, and meso-sized, dense and porous, bulk and layered. This all determines their wide range of properties and applications.Particular attention is paid to the prospects and ways to control and manipulate the shape of crystals, their size, and the spatial relationships between organic components with metal ions.This review focuses on zeolite-like frameworks (ZIFs) as the most interesting in terms of structure, synthesis, and applications in the field of materials for electrochemical current sources. Possibilities of modification and control of properties of these ZIFs and composite materials based on them by means of composition control, creation of porous structures, and introduction of impurities, including those with magnetic properties, are considered. Various variants of synthesis of complex composite materials by controlled pyrolysis of MOFs as a simple and scalable process are considered. The influence of heat treatment conditions on the final properties is demonstrated, as well as the prospects for the use of such materials in electrochemistry applications.As one of the options for changing the properties of MOFs and composite materials based on them, an approach based on doping of MOFs with ZIF-67 structure with another metal is presented. In particular, the scientific team of the authors realized the synthesis of cobalt MOFs in which Co is partially substituted by manganese at the synthesis stage. In addition, a simple technique of synthesis by coprecipitation in aqueous solution was used, but modified by ultrasonic action, which shortens the synthesis time. Electrochemical studies showed that the specific electrochemical capacitance of electrodes made of pyrolyzed MOFs with partial substitution of cobalt for manganese is significantly higher than that of materials without manganese. Both specific capacitance and energy density increase with increasing manganese content in MOF. Mn doping of MOF allows to significantly improve (from 100 to 298 F/g at current density of 0.25 A/g) the electrochemical characteristics of electrode materials for hybrid supercapacitors based on them. The results obtained by the authors indicate that the substitution of cobalt with manganese is an effective way to improve the electrochemical characteristics of MOFs.Thus, the article demonstrates by the example of literature review and practical experiment that the development of new approaches to the design of composite materials based on MOFs, as well as the study of physical and chemical regularities of interaction of these materials with various kinds of carriers is a very urgent task.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.