南京大学袁帅、吴石山团队综述 | 多孔框架材料用于稳定水系锌离子电池负极的总结与展望

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研究背景

水系锌离子电池 (ZIBs) 由于其安全、环保、低成本和高理论容量而引起了人们广泛关注。然而，锌负极在水系电解质中的腐蚀和不可控的枝晶生长，限制了其实际应用 (图1)。金属有机框架 (Metal–organic frameworks, MOFs) 和共价有机框架 (Covalent organic frameworks, COFs) 作为多孔晶态材料，具有比表面积大、孔隙率高、结构可调和形貌可控等特征，在水系 ZIBs 电池负极取得了一系列进展。本文总结了 MOFs/COFs 材料作为水系 ZIBs 电池负极材料的进展与设计策略。

图1 (a) 水系 ZIBs 的工作机理示意图，(b) 锌负极的演变过程。

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研究内容

近日，南京大学袁帅教授和吴石山教授全面论述了 MOFs/COFs 材料作为水系 ZIBs 电池负极材料的重要意义，简要介绍了水系 ZIBs 电池负极的基本概念和面临的挑战，重点阐述了 MOFs/COFs 材料的多孔性、官能团以及形貌三个方面在 Zn 负极保护层、多孔 Zn 主体、电解质/隔膜以及无金属负极四个方面的作用和进展 (图2)。通过总结和分析，进一步提出了优化 MOFs/COFs 基 Zn 负极的策略。

图2 MOFs/COFs 用于水系 ZIBs 负极材料。

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总结展望

基于 MOFs/COFs 材料在水系 ZIBs 电池负极材料储能应用中取得了重大研究进展，但仍有一些问题需要进一步解决，并应在未来深入探讨：

(1) MOFs/COFs 材料的表面工程策略；通过在 MOFs/COFs 中引入功能性官能团，以提高 MOFs/COFs 亲 Zn 位点和 Zn 离子电导率；(2) MOFs/COFs 的形貌调控；制备二维MOFs/COFs 纳米片以及二维层状材料有利于在 Zn 负极表面形成无裂纹薄膜，从而提高水系 ZIBs 电池性能；(3) 提高 MOFs 的稳定性；利用高价金属和氧化还原惰性金属 (Zr⁴⁺, Ti⁴⁺, 和Al³⁺) 构筑 MOFs 材料用于水系 ZIBs 电池，确保结构的稳定以及机制讨论。

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论文信息

Porous framework materials for stable Zn anodes in aqueous zinc-ion batteries

Liling Lei, Jiahao Dong, Siwen Ke, Shishan Wu and Shuai Yuan

Inorg. Chem. Front., 2023, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D3QI01222K

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

袁帅 教授

南京大学

袁帅，南京大学教授、博士生导师。长期致力于配位化学、材料化学和催化学科前沿交叉领域，利用金属有机框架 (Metal-organic frameworks, MOFs) 和共价有机框架 (Covalent organic frameworks, COFs) 为平台设计多元功能材料，应用于能源环境等方面。近年来以结构有序的多元多孔材料 (如MOFs和COFs) 为平台，设计三维协同催化位点，打破传统表面催化剂的固有限制。将三维协同位点的概念推广到MOF-复合材料和COF-复合材料领域，实现在原子精度上精确设计多元复合材料。设计原型器件，将材料应用于协同催化、能源转化等领域。相关成果发表在Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed等期刊，论文被引用13000余次, 入选2021、2022年度高被引科学家。

吴石山 教授

南京大学

吴石山，南京大学教授、博士生导师。长期致力于高分子材料、橡胶、橡塑并用，石墨烯复合材料和拓扑聚合物的合成与应用研究。近年来获得江苏省科技进步一等奖，中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖，授权发明专利7项（其中国防发明专利1项）。

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