Small:MOF-on-MOF策略原位构筑高性能异质核-双层壳负极材料

核壳结构因其多样的微观形貌、可调的组分分布以及丰富的内部空间,在纳米材料研究领域一直吸引着我们的关注。核壳结构通常由高活性的核和功能化的壳组成,具有丰富的内表面和较高的机械强度,因此可作为高性能的可充电电池的电极材料。近年来,已经设计并合成了多种核壳结构负极材料并应用在能源存储领域,展现出较高的可逆容量、功率密度以及较长的循环寿命。但目前绝大多数已报道的核壳结构负极材料微观形貌和化学组成单一,核壳组成及结构可控性差,限制了核壳结构中各活性组分间的协同作用的充分发挥。

与此同时,基于金属离子和有机配体桥连且富有丰富的官能团等优点,MOFs可以用作结构可裁剪的自模板,拓扑衍生碳基多元金属硫化物,一步实现原位碳包覆、多元金属的调控及多级结构的精准转化。结合MOFs材料中各官能团间的作用力,通过调节合成条件,以自组装的形式将两种不同类型的MOFs进行复合得到的杂化结构,可能为核壳结构碳基金属硫化物的合成提供一种新的思路。实现不同类型MOFs的复合主要有外延生长和内部扩展生长两种方法。其中,内部扩展生长法克服了晶格匹配原则,用于构筑多层次模块MOFs复合结构。该方法利用两亲性分子在主体MOFs表面的桥接并吸附游离在溶剂中的金属离子,使客体MOFs在主体MOFs表面成核、生长,增强两种MOFs间的作用力,最终得到核-卫星式的MOFs-on-MOFs杂化结构。

近来,中国石油大学(华东)多孔材料研究团队的孙道峰教授和康文裴副教授,带领团队成员采用MOFs-on-MOFs策略,通过层层自组装合成了一种核-双层壳结构的复合MOFs(MIL-53@ZIF-8@RF),以该复合MOFs为前驱物制备了具有异质核-双层壳结构的碳基双金属硫化物复合材料(Fe7S8/C@ZnS/N-C@C),该材料被证明是具有优异倍率性能和循环稳定性的钠离子电池负极材料。这种类秋葵状结构的负极材料具有多层次碳基质、丰富的内表面以及新颖的活性组分分布。作为钠离子电池负极材料,在充放电过程中活性组份的转化反应由核至壳分步进行,有效缓冲体积变化带来的内部应力,同时充分利用核-双层壳结构中的内部空间,维持负极材料在循环过程中的结构稳定性,该材料在5.0 A g-1的电流密度下循环10000周后仍具有364.7 mAh g-1的比容量。相关成果发表在Small (DOI:10.1002/smll.201907641)上。