Advanced Energy Materials:MOF基材料的“孔工程”助力电化学储能

伴随现代社会的高速发展,能源问题越发凸显。如何获得高能量密度、高功率密度、高稳定性、高安全性的储能设备,成为当代科学研究的重要课题之一。金属有机框架(MOFs)材料及其衍生材料具有丰富可调的化学组份,有序的多尺度孔结构,以及均匀密布的活性位点,发现以来获得世界范围内的广泛关注。伴随合成技术的进步(如高度共轭的导电MOF的成功制备),近年来MOF基材料在电化学储能(EES)领域的应用也逐渐受到关注。尤其MOF基材料的有序结构,可能为揭示能源材料的构效关系提供极好的研究平台。然而,MOF基材料低稳定性、低导电性、构效关系不清等问题制约了这一领域的发展。

香港大学(University of Hong Kong)郭正晓教授与杜然博士等近日在Advanced Energy Materials上系统梳理了十多年来MOFs及其衍生物的孔结构与孔化学的设计方法,并阐释了其在金属离子电池(锂/钠/钾)、超级电容器领域的最新应用进展。

MOFs的孔设计策略(左图),与不同孔结构/化学的MOFs衍生物。

作者们首先重点讨论并梳理了MOFs及其衍生物的孔设计方法。这部分主要从孔化学与孔结构两个方面展开。对于MOFs,在孔化学方面,分别对金属节点、配体的化学组成进行了总结;在孔结构方面,从微孔(<2 nm)、介孔(2-50 nm)、大孔(>50 nm)三方面分别总结了相关制备策略。对于MOF衍生物,在孔化学方面,主要总结了不同化学组成的衍生物的合成策略;在孔结构方面,从孔尺寸分布、比表面积、结构单元维度、复杂形貌设计等方面进行了评述。其次,分别从孔化学与孔结构两个重要角度,评述了MOF基材料在作为超电容电极材料(比电容、倍率性能、稳定性)、碱金属离子电池电极材料(比容量、倍率性能、首圈库伦效率、稳定性)、金属离子电池的固态电解质材料(离子电导率、金属离子转移数)三个方面的设计方法与应用性能。最后,提出了该领域的机遇与挑战,指出了可能的设计原则,并强调MOFs研究群体与电化学储能研究群体需要进行通力合作,才能解决目前出现的一系列问题,加速高能量/功率密度、高稳定性和高安全性的储能材料和器件的发展进程。

通讯作者简介

郭正晓:香港大学理学院化学系与工学院机械工程系双聘教授,伦敦大学学院(University College London)荣誉教授,欧洲科学院院士。长期从事能源与环境应用方向的功能纳米材料设计与制备(MOFs、COFs、二维材料、等级孔材料等)。以通讯作者身份在Nat. Energy,Nat. Commun.,Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci.等学术刊物发表论文300余篇 (被引用22,000 余次,H因子65)。

论文信息:

Porosity Engineering of MOF‐Based Materials for Electrochemical Energy Storage

Ran Du, Yifan Wu, Yuchen Yang, Tingting Zhai, Tao Zhou, Qiyao Shang, Lihua Zhu, Congxiao Shang, Zhengxiao Guo*

First published: 17 April 2021

DOI: 10.1002/aenm.202100154