【人物与科研】暨南大学宾德善/李丹课题组Angew. Chem. ​Int. Ed.：基于三环喹唑啉的导电MOF的锂电应用

导语

近年来锂离子电池被广泛地用于移动电子设备、电动汽车、储能电站、智能电网等领域。有机电极材料因其具有资源丰富、环境友好、结构可设计、理论容量高等优点，引起了研究者的浓厚兴趣，但有机电极材料易溶于有机电解液、电导率低、反应动力学缓慢等缺点制约了其发展。近日，暨南大学的宾德善/李丹教授团队首次构筑了基于富氮分子三环喹唑啉（TQ）的二维导电金属有机框架（MOF）材料Cu-HHTQ，并研究其在锂离子电池中的应用。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DO: 10.1002/anie.202110373）。

暨南大学宾德善/李丹课题组简介

宾德善教授简介

暨南大学教授。2018年于中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室获博士学位，随后在日本AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室开展博士后研究，2020年3月入职暨南大学化学与材料学院，并加入由李丹教授领导的超分子配位化学研究所；主要从事聚合物基炭电极材料、配位聚合物电极材料的可控合成及其在碱金属离子电池中的应用研究；取得的代表性成果以第一/通讯作者发表在在Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊，于2018年获中国科学院院长奖优秀奖。

李丹教授简介

暨南大学化学与材料学院院长。从事超分子配位化学的研究工作，在化学和材料科学交叉领域的研究热点和前沿开展系统、创新性研究，为合成技术、材料创新和晶体工程积累了实践经验及理论基础。国家杰出青年基金获得者（2008年），英国皇家化学会会士（FRSC，2014年），中国化学会首批高级会员（2020年）。主持国家自然科学基金重大研究计划、重点项目和国家973计划（课题组长）等。在国际权威学术刊物Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等发表学术论文250多篇。获国务院“政府特殊津贴专家”，入选首届国家“万人计划”领军人才；广东省“千百十工程”第四批培养对象先进个人；曾获得广东省科学技术一等奖（第一完成人）、第十五届广东省丁颖科技奖。

前沿科研成果

基于三环喹唑啉的导电MOF的锂电应用

近日，暨南大学宾德善/李丹教授团队首次构筑了基于富氮分子三环喹唑啉（TQ）的二维导电金属有机框架（MOF）材料Cu-HHTQ，并研究其锂离子电池中的应用。TQ作为一种富氮共轭稠环分子具有良好的氧化还原活性，结合配位节点CuO₄的氧化还原活性，研究人员将其结合起来，构筑成为二维MOF材料Cu-HHTQ，从而获得多重氧化还原活性位点，实现了作为高比容量锂离子电池负极材料的应用。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

二维导电MOF Cu-HHTQ在DMF和水的混合溶剂中通过溶剂热法合成得到。作者通过PXRD、高分辨透射电镜图谱等手段确定了Cu-HHTQ具有良好的结晶度和长程有序，其晶体结构通过结构模拟以及Pawley精修确定。

图1.（a）导电MOF Cu-HHTQ样品的合成。（b）Cu-HHTQ结构示意图。（c）Cu-HHTQ的PXRD以及Pawley精修。（d）, （e）, （f）和（g） Cu-HHTQ的HRTEM图谱。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

得益于Cu-HHTQ的高电导率特性、多孔特性以及多电子氧化还原特性，其作为锂离子电池负极材料表现出了较高的比容量、良好的倍率性能以及优异的循环稳定性。Cu-HHTQ在600 mA g^-1的电流密度下可逆比容量达到了657.6 mAh g^-1，循环充放电200圈后仍有82%的容量保持率，这在现今报道的导电MOF材料中处于较高水平。

图2.（a）15 mA g^-1电流密度下Cu-HHTQ的前三圈充放电曲线图。（b）Cu-HHTQ在600 mA g^-1电流密度下的循环性能图。（c）Cu-HHTQ在不同电流密度下的充放电曲线图。（d）Cu-HHTQ在不同电流密度下的倍率性能图。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了探索Cu-HHTQ电化学储锂机理，作者还制备了TQ分子并通过电化学测试和理论计算研究了其锂化反应过程，首次验证了TQ具有9电子氧化还原过程。同时利用半原位的XPS技术对于不同充放电状态下的TQ材料进行了表征，表明TQ的氧化还原反应发生在氮原子位点。将TQ构筑在导电金属有机框架Cu-HHTQ中能够有效提高其作为锂离子电池负极材料的比容量，研究为高性能离子电池电极材料的设计提供了新思路。

图3.（a）30 mA g^-1电流密度下TQ的前三圈充放电曲线图。（b）TQ放电曲线的理论值（红色点线）与实验值（黑色实线）。蓝色曲线代表TQ不同锂化过程的能量值。插图为TQ与TQ-9Li的ESP图。（c）不同充放电状态下TQ的半原位XPS N 1s谱图。（d）DFT计算得到的TQ的锂化过程。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

该工作以“Immobilizing Redox-Active Tricycloquinazoline into a 2D Conductive Metal-Organic Framework for Lithium Storage”为题发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI：10.1002/anie.202110373）上。第一作者为暨南大学博士后闫婕，通讯作者为暨南大学化学与材料学院宾德善和李丹教授，研究工作得到了国家自然科学基金与中国博士后科学基金资助。

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