Angew. Chem. Int. Ed.：調控MOF外露晶面實現高倍率堿性水系鋅電池

一、導讀

金屬有機框架（MOFs)由金屬點和有機連接體之間的配位鍵構建而成，是目前很有前途的能量存儲和轉化材料。與傳統的電極材料相比，MOFs具有永久的孔隙性和優異的比表面積，有利于超級電容器和電池中電極和電解質之間的離子擴散和界面反應。此外，MOFs突出的結構靈活性和化學多樣性使其成為滿足不同需求的優秀候選材料。

然而，大多數MOFs材料由于其氧化還原活性和低電導率而表現出不理想的電化學性能。將原始的MOFs轉化為其衍生物，包括金屬氧化物、氫氧化物、硫化物和磷化物，可以充分利用金屬活性位點。雖然一些氧化還原活性導電MOFs具有快速電荷傳輸和中等活性，但導電MOF基電極的研究仍處于早期階段，在儲能方面的應用有限，特別是水系電池。MOF電極的發展似乎受到了直接使用MOF材料而沒有任何修飾的限制，合成后再對MOFs進行修飾從而優化其電性能的可能性似乎一直被人們忽視。

二、成果掠影

近日，華南師范大學的趙靈智，南方科技大學的李洪飛以及香港城市大學的支春義聯合報道了一種通過晶面工程設計的具有高容量和優異電化學性能的MOF基電極，利用熱修飾調控鎳基MOF (PFC-8)的主要暴露晶面，將以（110）面為主導的PFC-8轉換成富含（020)和（200）面的PFC-8 350，在每個不對稱單元中顯示額外的Ni電位使得電池在最佳暴露面表現出了良好的倍率性能，在2.5 A g^-1時容量為139.4 mAh g^-1，即使在30 A g^-1的高電流密度下，容量仍能達到110.0 mAh g^-1。除此之外，電池的最大功率密度可達42.7kW kg^-1，甚至可以與許多超級電容器相媲美。DFT模擬結果表明，與原始PFC-8相比，PFC-8 350表現出更強的OH^-吸附行為和優異的電子結構，具有更高的比容量和更高的倍率性能。相關研究成果以“Regulating Exposed Facets of Metal-Organic Frameworks for High-rate?Alkaline Aqueous Zinc Batteries”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

三、核心創新點

通過對材料特定晶面的調控，可以增加額外的活性位點，增強粒子的擴散運輸，不同晶面的不同原子排列可以帶來對電化學性能有利的電子結構，在調節MOFs氧化還原反應的電化學動力學和反應活性方面的問題提供新的視角。

四、數據概覽

圖1 ?a) PFC-8和PFC-8 350的TGA曲線，b)PFC-8和PFC-8 350的整體XPS光譜，c)PFC-8和PFC-8 350的高分辨率N 1s XPS光譜，d)PFC-8和PFC-8 350的高分辨率Ni 2p XPS光譜，e)PFC-8和PFC-8 350的 XRD曲線，f)PFC-8和PFC-8 350對應的峰值強度比值,g)和j)PFC-8 350的透射電鏡圖像,h)PFC-8框架不同晶面的原子結構圖,?i)PFC-8框架中(110)晶面圖,k)PFC-8框架中(200)晶面圖,l)PFC-8框架中(020)晶面圖 ? 2022 Wiley-VCH GmbH

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圖2??a)PFC-8和PFC-8 350在5mVs^-1掃描速率下的CV曲線，b)PFC-8和PFC-8 350的速率性能曲線，c)PFC-8 350 和d)PFC-8在不同電流密度下的GCD曲線，e)Zn||PFC-8 350電池在從1到5mVs^-1不同掃描速率下的CV曲線，f）峰1、g）峰2和h）峰3的log (i)和log (v)之間的擬合圖，i) Ragone圖比較了Zn||PFC-8 350電池與其他堿性水系電池和超級電容器的功率密度和對應能量密度，j)PFC-8和PFC-8 350電極在電流密度為10Ag^-1下的循環性能 ? 2022 Wiley-VCH GmbH

圖3 ?a)充放電曲線和相應的正極收集階段，b)高分辨率N 1s XPS譜，c)高分辨率Ni 2p XPS譜，d)PFC-8 350 陰極在不同充放電深度下的FTIR曲線，e)PFC-8 350 陰極的兩步氧化還原反應的示意圖 ? 2022 Wiley-VCH GmbH

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圖4 ?a-e)吸附OH^-基團后具有不同切面的PFC-8板的原子結構側視圖，f)OH^-在不同表面上的吸附能，g-i）由這兩個平面組成的（110）（020）和（200）平面的狀態圖的密度 ? 2022 Wiley-VCH GmbH

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五、成果啟示

MOFs作為一種很有發展潛力的充電電池電極材料越來越被廣泛應用，但大多數都僅局限于直接使用，沒有進一步的優化改性，本文通過簡單的熱修飾策略調節主暴露面，使得電池表現出良好的速率性能和長期的循環穩定性，為調節電池的MOF基電極的電化學性能打開了新的大門，提供了新的思路。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/anie.202209794

本文由meiweifengmaozi供稿