MOF的“孔工程”助力金属离子电池与超电容应用

金属有机框架（MOFs）及其衍生材料具有丰富可调的化学组分、有序的微/介孔结构以及均匀分布的活性位点。得益于此，其应用主要聚焦于分子吸附/分离等。近年来，伴随社会对能源储存与转换的巨大需求，MOF基材料的研究热点也逐渐向电化学储能（EES）等领域延伸，但其应用常受制于低导电性、低稳定性及构效关系模糊等问题。近日，香港大学的郭正晓教授团队在Advanced Energy Materials 杂志以“孔工程”理念为指导，系统总结了MOF基材料孔结构/化学的设计方法，以及MOF基材料在电化学储能领域（金属离子电池、超级电容器）的最新应用进展。

图1. MOFs及其衍生物在电化学储能方面的应用

MOFs基材料的孔设计

综述将孔设计分为孔的化学与结构设计两部分进行梳理。

对于MOFs，在孔化学方面，介绍了如何通过对金属节点与有机配体的分别设计，改善MOFs的热/化学稳定性、提高电导率、实现特定功能等。在孔结构方面，分别从微孔、介孔、大孔出发，探讨了相关的设计策略，如孔分隔、配体增长、后处理、缺陷工程、控制组装（凝胶/3D打印）等方法。

图2. MOFs的孔设计策略

对于MOFs衍生物，在孔化学方面，回顾了不同化学组成的MOFs衍生物的制备方法，着重强调了原料与热解条件的重要性。在孔结构方面，从孔尺寸分布、比表面积、结构单元维度等几点阐述了相应设计方法（如热解条件控制、活化、模板法、可控刻蚀等）。

表1. 各类MOFs衍生物的制备方法

MOF基材料在电化学储能方面的应用

从孔化学与孔结构两方面，讨论了MOF基材料在超级电容器电极材料、金属离子电池（锂/钠/钾离子电池）电极材料、金属离子电池固态电解质方面的设计实践。在超电容方面，主要以比电容、倍率性能、稳定性作为器件指标；在金属离子电池方面，分为阴极材料与阳极材料两部分，以比容量、倍率性能、首圏库伦效率、稳定性作为器件指标；在固态电解质方面的研究尚处于初期阶段，主要讨论了材料的离子电导率、金属离子转移数两项指标。

通过将器件性能指标与MOF基材料的孔参数进行关联，对相关构效关系进行了简单分析。初步结果表明，MOF基材料作为超电容与锂离子电池电极材料时，其性能与化学组成的关系更密切或更为明确。相对而言，MOFs比MOFs衍生物的构效关系更清晰。

展望

目前，MOFs及其衍生物的可控合成已较为成熟。但是，MOFs研究群体与电化学储能研究群体间的鸿沟，导致MOF基材料在EES领域的应用出现很多问题。例如，很多设计精巧的MOFs并未能应用于EES；某些MOF基材料在EES领域的工作未瞄准领域的关键问题，所采用的测试方法或给出的参数不合适或不全面；构效关系尚不明朗，阻碍了孔的靶向设计。因此，这一领域需要跨学科研究者的通力合作，从而促进MOF基电化学储能材料的高速发展。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是香港大学博士后杜然、博士研究生吴一凡和香港大学浙江科学技术研究院的杨雨辰博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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*

Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202100154

作者简介

郭正晓教授：1988年博士毕业于University of Manchester，此后在University of Strathclyde (1988–90)与University of Oxford (1990–15)从事博士后研究。1995年加入Queen Mary University of London先后担任讲师/教授，2007年加入University College London任化学系教授。2018年加入香港大学，为理学院化学系与工学院机械工程系双聘教授。获伦敦大学学院（University College London）荣誉教授，欧洲科学院院士等头衔。长期从事能源与环境应用方向的功能纳米材料设计，如MOFs、二维材料、多级孔材料等。以通讯作者身份在Nat. Energy，Nat. Commun.，Adv. 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）。