天津大学团队Angewandte Chemie：一种高效、高容量储锂的氧化还原活性2D金属有机框架

【引言】

在过去的十年中，锂离子电池（LIBs）因其高功率/能量密度和长期的循环稳定性而被广泛应用于各种储能设备中。然而，用过渡金属复合阴极和石墨阳极建造的商用LIBs已经达到了它们的性能极限。特别是过渡金属复合阴极具有较低的重量容量（<200 mA h g^-1），因此在满足高重量电池系统的需求方面面临着巨大的挑战。因此，高容量阴极材料是提高LIBs性能的理想材料。与过渡金属化合物相比，有机材料具有更吸引人的特性，包括生态高效的生产和处置、成本效益和有适当材料设计的高比容量。然而，非水电解质的溶解性和小分子本身的低电导率严重阻碍了它们作为电极材料在LIBs中的应用。近年来，金属有机框架（MOFs）作为一种由有机连接体和金属节点构成的新型结晶性多孔配位聚合物，由于其刚性和外延结构，使其不溶于有机电解质，引起了人们对其电化学储能的广泛关注。此外，由于有机桥接配体和金属离子/簇的多样性，可以有效地调整MOFs的电化学性能。此外，固有的多孔通道使离子运输和电解质渗透变得容易。这些优点使MOFs成为极有前途的LIBs电极材料。

【成果简介】

近日，在天津大学陈龙教授、许运华教授和美国布鲁克黑文国家实验室胡恩源团队（共同通讯作者）带领下，在非常温和和绿色的条件下合成了2D的铜苯并醌金属有机框架（2D Cu-THQ MOF）。这种材料成本低、环境友好，因为有机连接剂可以从自然资源中获得，并且铜是一种丰富的金属元素。此外，2D共轭Cu-THQ MOF的孔隙率和半导体特性有利于电荷传输和能量存储。2D Cu-THQ MOF具有前所未有的高可逆容量（> 350 mA hg^-1）和良好的循环稳定性。全面的光谱研究表明，这种高容量得益于一种新的储锂机制，该机制涉及金属离子和配体的氧化还原过程。该成果以封面文章题为“A Redox-Active 2D Metal-Organic Framework for Efficient Lithium Storage with Extraordinary High Capacity”发表在了Angewandte Chemie上。论文第一作者为天津大学化学系硕士生江强，材料学院博士生熊佩勋。

【图文导读】

图1 2D Cu-THQ MOF的结构表征

（a-f）2D Cu-THQ MOF的（a）合成方案，（b）晶胞结构，（c）PXRD图，（d）N2吸附等温线，（e）SEM图像，（f）的HRTEM图像。插入：放大 所选区域的图片。

 图2 2D Cu-THQ MOF电极的电化学性能

（a）0.1 mV s^-1时的CV曲线。

（b）在50 mA g^-1时，前三个循环中的充放电特性。

（c）在50 mA g^-1时的循环性能。

（d）在50至1000 mA g^-1的各种电流密度下的倍率性能。

图3 2D Cu-THQ MOF电极的光谱表征

（a-d）2D Cu-THQ MOF电极在不同的充放电状态的（a）EPR光谱，（b）FTIR光谱，（c）Cu hXAS，（d）O sXAS分析。

图4 2D Cu-THQ MOF的各种不同充放电过程

（a）2D Cu-THQ MOF电极在50 mA g^-1时的恒电流充放电曲线。

（b）2D Cu-THQ MOF的各种不同充放电过程。在充放电过程中2D Cu-THQ MOF重复配位单元的电子状态演化。Li和O之间的结合位点，Cu的价态变化由蓝色和灰色圆圈表示。

【小结】

团队证明了2D铜苯并醌类MOF为实现高能量密度的LIBs开辟了新的机会。hXAS、sXAS、EPR、FT-IR等多种光谱方法揭示了Cu离子和有机配体在充放电过程中均表现出突出的氧化还原活性，从而产生了非常高的比容量。 2D Cu-THQ MOF的可逆容量高达387 mA h g^-1，比能密度高达775 Wh kg^-1，循环稳定性好，100个循环后仍可保持340 mA h g^-1。团队的发现为合理设计和开发用于下一代LIBs的2D导电MOF基阴极材料提供了有效的策略。

 文献链接：A Redox-Active 2D Metal-Organic Framework for Efficient Lithium Storage with Extraordinary High Capacity（Angewandte Chemie， 2020，DOI:10.1002/ange.201914395）

【团队介绍】

天津大学化学系陈龙课题组长期致力于新型有机多孔材料的设计、合成和应用探究，在国家重点研发计划（2017YFA0207500）的大力支持下，课题组围绕二维共轭高分子的制备，输运性质调控及微纳器件构筑开展工作，近年来在二维共轭高分子材料的结构设计以及新的合成策略方面取得了一系列进展，相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 13822；Adv. Mater. 2019, 31, 1901640; Chem. Mater. 2019, 31, 8100; Macromolecules 2019, 52, 7977; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15742；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 1081；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 1118。

本文由木文韬供稿。

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