武汉理工麦立强教授课题组Nano Energy：双金属MOF位点调控实现多硫化物的持续高效转化和回溯

文章信息

第一作者：周铖 陈敏捷

通讯作者：麦立强*，许絮*，常刚刚*

单位：武汉理工大学

研究背景

锂硫电池（Li-S）具有高理论容量（1675 mAh g^-1）、高能量密度（2600 Wh kg^-1）、资源丰富以及环境友好等特点，可适用于对体积不敏感，对质量敏感的装备，如高空卫星、深海装备、航空航天和重型汽车等。然而，可溶性多硫化物的溶解和积累引起的穿梭效应严重影响锂硫电池的反应过程和循环性能。其中，最有效的策略之一是对隔膜进行改性。目前，除了最简单的物理阻隔外，对隔膜修饰层机理的解释主要集中在对多硫化物的吸附或催化。由于材料对多硫化物的吸附能力有限，催化也需要将多硫化物吸附到活性中心，因此，单一吸附或催化往往不能有效抑制穿梭效应。具体来说，如果可溶性多硫化物不能迅速转化为短链多硫化物并再次沉积到正极上，将会导致材料中的活性位点被占据以及活性物质的损失，改性层的作用将大大降低。另一方面，如果材料对多硫化物的吸附作用较弱，则使得多硫化物不能与催化位点充分接触，从而充分发挥材料的催化作用。如果材料对多硫化物的吸附作用太强，那么多硫化物将被限制在修饰层中，使得活性物质的利用率降低。因此，如何平衡吸附和催化之间的关系，实现多硫化物的连续高效转化和在正极的定向沉积具有重要意义。MOF由金属离子和有机配体组成，对多硫化物具有吸附和催化活性，通过进一步的结构设计，例如制造缺陷、调整金属中心等，可以有效地改变吸附和催化的协同效应。

文章简介

近日，武汉理工大学麦立强教授、许絮副教授、常刚刚副教授团队在《Nano Energy》上发表题为“The continuous efficient conversion and directional deposition of lithium (poly)sulfides enabled by bimetallic site regulation”的文章。该工作的要点如下：

（1）开发了一种新的简单方法来大量制备二维Zn/Co-ZIF纳米片，单位体积的产率明显高于现有方法，并可以通过调整原料量来控制后续制备的纳米片中的Zn、Co金属中心的比例。

（2）首先通过DFT计算验证了Zn、Co金属中心对多硫化物吸附和催化能力的不同，通过调控金属中心比例，有效提升了ZIF纳米片促进多硫化物转化的能力。进一步的基于修饰层和正极之间导电性的差异，实现了界面处多硫化物向正极的定向回溯。

（3）所构筑的隔膜修饰层厚度仅为2 μm，单位面积负载量仅为0.1 mg cm-2, 相比目前已有的MOF修饰隔膜的工作有明显优势。基于该功能性隔膜组装的锂硫电池表现出良好的循环稳定性和倍率性能。

主要结果如下：

图 1. 反应机制和理论计算结果。（a）反应机制示意图；（b,c）理论计算结果。

图2. （a）二维Zn/Co-ZIF纳米片合成示意图；（b-g）形貌表征。 

图3.（a,b）原子力显微镜表征；（c）XRD；（d）隔膜制备流程图；（e-g）隔膜形貌表征。 

图4.（a）CV曲线；（b,c）塔菲尔斜率；（d）Li₂S₆对称电池测试；（e,f）GITT测试；（g-i）Li₂S成核测试。

图5. 电化学性能测试。（a）0.5 C循环性能；（b）倍率性能；（c）0.5 C恒流充放电曲线；（d）不同电流密度下的极化电压；（e）不同倍率下的恒流充放电曲线；（f）不同电流密度下的平台容量比；（g）2 C循环性能；（h）高负载量的循环性能。

文章链接

The continuous efficient conversion and directional deposition of lithium (poly)sulfides enabled by bimetallic site regulation, Nano Energy, 2022, 98, 107332, doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107332

通讯作者简介

麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。

主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（1篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。

许絮，武汉理工大学副教授。目前研究方向为储能材料与器件。围绕这一方向，开展了纳米电极材料的可控合成、锂金属电池及锂硫电池关键材料结构性能调控、薄膜电池结构设计、微纳电化学器件设计组装及原位表征等基础性研究工作。目前已在Science、Advanced Materials、National Science Review、Advanced Energy Materials、Nature Communications、Nano Letters、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊发表论文70余篇，论文累计他引9000余次，H因子43，获授权国家发明专利9项。获湖北省自然科学一等奖，入选第六届中国科协“青年人才托举工程”、湖北省“楚天学子”。

常刚刚，武汉理工大学副教授。主要研究方向为催化和吸附功能导向的分级MOF及其衍生材料的设计合成。目前，以第一/通讯作者在Advanced Material、Advanced Functional Material、Nano energy、Chemical Engineering Journal、Small等国际知名期刊上发表SCI论文30余篇，申请发明专利12项，入选湖北省首届“青年拔尖人才培养计划”。

课题组简介

武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师11名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。

团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。课题组目前发表SCI论文400余篇，以第一或通讯作者发表Nature 1篇，Nature子刊9篇，合作发表Science1篇、Nature、Science、Cell子刊7篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。

团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。

欢迎有志于从事新能源纳米材料与器件的有志之士加盟本课题组！特别欢迎对科研感兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动性高、有志于继续国内或到国外深造的学生报考或申请本课题组的博士后、博士生、硕士生，也欢迎国内外专家学者或学生的访问、交流与合作！

课题组主页

http://mai.group.whut.edu.cn/chs/

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