南开卜显和Adv. Energy Mater. : MOF衍生氮掺杂褶皱碳箔在储钠中的应用

【引言】

具有高度有序孔隙和均匀金属位点的金属-有机框架(MOF)是用于构建碳框架材料的新型前驱体，其具有易于调节的特点。其中，2D MOF纳米结构已经引起了对构建MOF衍生碳材料的越来越多的研究兴趣。与块状MOF晶体相比，2D MOF材料作为前驱体具有更多优势，如更大的表面积以及更丰富的活性位点。此外，它们能够在热解过程中防止材料聚集，并且有利于构建多重孔隙。最近的研究表明，将2D材料集成到3D宏观结构中，如3D大孔MXene、3D石墨烯和3D二硫化钼，可以为电极材料中离子和电子传输不良的问题提供良好的解决方案，进而制备出高性能器件。因此，成功制备2D MOF衍生碳材料将具有重要意义。

【成果简介】

近日，南开大学卜显和教授(通讯作者)等制备了由MOF纳米片衍生的多级孔氮掺杂褶皱碳箔，将其用作高性能钠储存材料，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Nitrogen-Doped Wrinkled Carbon Foils Derived from MOF Nanosheets for Superior Sodium Storage”的研究论文。新型氮掺杂碳纳米材料是通过热解2D 锰基MOF合成的。2D MOF通过单齿配体盐的辅助产生，以实现MOF的平面生长。随后在氨气气氛下热解， 2D MOF的表面形成Na₂CO₃的保护层，锰离子则转化成MnO颗粒。进一步地用酸溶液中洗去二者即可产生分级孔隙和通道，以允许快速的离子传输。所得材料用作钠离子电容器负极材料时展现出高倍率性能(电流密度为8和10 A·g^-1时分别为165和150 mA h·g^-1)，高稳定性(1.0 A·g^-1 1000次循环后容量保持率为72.8%)。

【图文简介】

图1 氮掺杂褶皱碳箔(NC-1)的制备过程

由块体Mn-MOF制备氮掺杂褶皱碳箔(NC-1)的过程示意图。

图2 不同材料的形貌表征

a,e) 块体Mn-MOF的SEM图像和TEM图像；

b,f) 2D Mn-MOF的SEM图像和TEM图像，内插为电子衍射图像；

c,g) MNC-1的SEM图像和TEM图像；

d,h) NC-1的SEM图像和TEM图像。

图3 NC-1的形貌表征

a,b) NC-1的SEM图像；

c,d) NC-1的TEM和HRTEM图像。

图4 不同材料的元素分布

a) MNC-1的STEM图像及其相应的EDS元素分布；

b) NC-1的STEM图像及其相应的EDS元素分布。

图5 材料的结构表征

a) 块体Mn-MOF、2D Mn-MOF、MNC-1和NC-1的XRD图谱；

b) NC-1、MNC-1和2D Mn-MOF的FTIR光谱；

c) NC-1和MNC-1的N2吸-脱附曲线；

d) NC-1和MNC-1的孔径尺寸分布。

图6 材料的表面元素和结构表征

a) C-1的TEM图像；

b) NC-2的TEM图像；

c) NC-3的TEM图像；

d) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的N 1s XPS光谱；

e) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的C 1s XPS光谱；

f) NC-1、NC-2、NC-3和C-1的Raman光谱。

图7 材料的电化学储钠性能

a) NC-1初始5个循环的CV曲线，内插为NC-1初始充-放电曲线；

b) NC-1、C-1和BC-1的倍率容量；

c) NC-1电极与近期报道的其他碳基电极倍率容量的比较；

d) 1.0 A·g^-1下NC-1、C-1和BC-1循环性能。

【小结】

综上所述，作者提供了一种使用2D Mn-MOF作为前驱体合成具有多级孔结构的氮掺杂皱褶碳箔的方法。在氨气气氛下的热解过程中诱导阻挡剂和锰离子转化为Na₂CO₃和MnO纳米颗粒，随后在酸蚀刻后产生了丰富的孔道。该材料不仅展现出褶皱的结构，而且其掺杂氮活性位点可调。利用有效的离子传输路径以及不间断的电子传导网络，氮掺杂皱褶碳箔电极能够同时实现高容量和循环稳定性。该策略为制备可用于高储能系统的氮掺杂碳电极的通用材料设计提供了新的思路。

文献链接：Nitrogen-Doped Wrinkled Carbon Foils Derived from MOF Nanosheets for Superior Sodium Storage (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801515)

本文由材料人编辑部新能源小组abc940504编译整理，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

仪器设备、试剂耗材、材料测试、数据分析，找材料人、上测试谷！