构建2D三明治型MOF/MXene异质结构用于持久和快速的水系锌离子电池

Energist 能源学人

【研究背景】

金属有机骨架材料(MOFs)，是近十几年来发展迅速的一种配位聚合物材料。该材料通过金属离子和有机配体进行自组装得到，具有高的比表面积、丰富可调的孔道结构和可修饰的表面。二维金属有机骨架兼具二维材料和MOFs材料的双重优势,被认为是新一代高性能锌离子电池理想的电极材料。然而，传统的导电性差和结构稳定性差阻碍了其发展。

【工作介绍】

近日，深圳大学宋军教授和香港理工大学黄维扬教授团队报道了一种交替堆叠的MOF/MXene异质结构，表现出二维三明治状结构，具有丰富的活性位点，更好的导电性和优异的结构稳定性。原位表征和理论计算揭示了锌离子在二维异质结构中的可逆插层机制和高导电性，表明锌离子更容易吸附在异质结构的表面，有利于电化学反应的快速发生，从而有利于电池倍率性能的提高。电化学测试证实了良好的Zn²⁺迁移动力学和理想的赝电容行为。结果表明，Cu-HHTP/MX具有优异的倍率性能(在0.1 A g^-1时为260.1 mAh g^-1，在4 A g^-1时为173.1 mAh g^-1)，在4 A g^-1下1000次循环的长期循环稳定性为92.5%。该文章发表在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。王亚蕾为本文第一作者。

【内容表述】

MXene (MX)是具有多个官能团的类石墨烯二维层状材料，具有良好的二维结构和理想的性能，如优异的金属导电性、亲水性和可调的表面化学,将MX引入MOFs材料中具有独特的优势。。因此，本文采用简单的液相直接组装策略制备了由Cu-HHTP和改性V₂CT_x纳米片交替堆叠而成的Cu-HHTP/MX异质结构。二维Cu-HHTP/MX异质结构在Cu-HHTP活性材料与MX之间建立了有效的电荷传输通道，而MX有助于提高结构的稳定性，促进电子的快速传输。此外，Cu-HHTP/MX表现出增强的反应动力学，包括较高的Zn²⁺扩散系数和良好的赝电容效应。

图1 a) Cu-HHTP/MX二维异质结构形成示意图。b) Zn为阳极，Cu-HHTP/MX异质结构为阴极的Zn/Cu-HHTP/MX电池机理图。

图2 a) PDDA-MX、Cu-HHTP、Cu-HHTP/MX的Zeta电位。b) Cu-HHTP、MX、Cu-HHTP/MX的XRD图谱。c, d) 氮气吸附-解吸等温线及其孔径分布图。e) EPR谱。f) TGA曲线。Cu-HHTP/MX的g) SEM图，h) HRTEM图，i) SAED图。

图3 a) 电流密度为100 mA g^-1下的充放电曲线，其中选中标记状态进行非原位测试。b) XRD图谱。c, d) O 1s和Cu 2p的XPS光谱。e) HAADF-STEM以及在完全放电和充电状态下记录的相应元素映射图像。

图4 a) 0.1 mV s^-1时的CV曲线。b) 0.1 A g^-1时的充放电曲线。c-e) Cu-HHTP和Cu-HHTP/MX的循环性能、倍率性能和平均容量。f) 不同电流密度下的充放电曲线。g) 4 A g^-1下的长期循环测试。h) 本文的Cu-HHTP/MX阴极与报道的用于锌离子电池的MOF阴极倍率性能比较。

【结论】

最终，MOF/MX异质结构在锌离子电池应用中表现出高的比容量，优异的倍率性能和良好的循环稳定性。该工作为未来合理设计高性能二维MOFs基水系锌离子电池正极材料提供了新的思路。

Yalei Wang，Jun Song*，Wai-Yeung Wong*, Constructing 2D Sandwich-like MOF/MXene Heterostructures for Durable and Fast Aqueous Zinc-Ion Batteries.

https://doi.org/10.1002/anie.202218343

作者介绍

宋军，男，博士，教授，博士生导师。2001年于浙江大学获得光电信息专业学士学位，2006年于浙江大学获得光学工程专业博士学位，2008年获得瑞典皇家工学院电气工程专业博士学位。现在深圳大学物理与光电工程学院任教并从事科学研究。曾获得中国光学学会王大珩光学奖，中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖等奖励。先后入选深圳大学荔园优青培育计划，深圳市孔雀计划B类人才，广东省“千百十”工程，广东省优秀青年教师培育计划，深圳市鹏城学者特聘教授等。现主要从事纳米生物光子学研究。近五年第一作者及通讯作者在Nature Communications、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、JACS、Angewandte Chemie International Edition、Nano Energy、Coordination Chemistry Reviews、 Small、Optics Letters、Optics Express等期刊发表学术论文近150余篇。

黄维扬教授，现为香港理工大学理学院院长、应用生物及化学科技学系讲座教授和欧雪明能源教授。1992年获香港大学化学专业一级荣誉学士学位；1995年获香港大学博士学位；1996至1997分别于美国德州农工大学和英国剑桥大学从事博士后研究。现为香港化学会主席。长期专注于无机化学中金属有机聚合物/配合物的设计、合成及其光电应用等领域的基础与应用研究。在2014-2020年连续七年入选为汤森路透/科睿唯安高被引科学家，在Nat. Mater., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等权威SCI期刊上发表论文800余篇，论文引用超过3万5千次，H-索引指数为87，获英国皇家化学会会士、香港裘槎基金会优秀科研者奖、英国皇家化学会过渡金属化学奖(首位华人)、国家教育部高校自然科学奖一等奖（排名第一）、亚洲化学会联合会杰出年青化学家奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国家自然科学奖二等奖（排名第一）、日本光化学学会亚洲及泛洋洲光化学科学家讲学奖、香港研资局高级研究学者奖、国家教育部长江学者讲座教授和香港青年科学院创院院士称号等奖项或称号。

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