Angew. Chem. Int. Ed.：调控MOF外露晶面实现高倍率碱性水系锌电池

一、导读

金属有机框架（MOFs)由金属点和有机连接体之间的配位键构建而成，是目前很有前途的能量存储和转化材料。与传统的电极材料相比，MOFs具有永久的孔隙性和优异的比表面积，有利于超级电容器和电池中电极和电解质之间的离子扩散和界面反应。此外，MOFs突出的结构灵活性和化学多样性使其成为满足不同需求的优秀候选材料。

然而，大多数MOFs材料由于其氧化还原活性和低电导率而表现出不理想的电化学性能。将原始的MOFs转化为其衍生物，包括金属氧化物、氢氧化物、硫化物和磷化物，可以充分利用金属活性位点。虽然一些氧化还原活性导电MOFs具有快速电荷传输和中等活性，但导电MOF基电极的研究仍处于早期阶段，在储能方面的应用有限，特别是水系电池。MOF电极的发展似乎受到了直接使用MOF材料而没有任何修饰的限制，合成后再对MOFs进行修饰从而优化其电性能的可能性似乎一直被人们忽视。

二、成果掠影

近日，华南师范大学的赵灵智，南方科技大学的李洪飞以及香港城市大学的支春义联合报道了一种通过晶面工程设计的具有高容量和优异电化学性能的MOF基电极，利用热修饰调控镍基MOF (PFC-8)的主要暴露晶面，将以（110）面为主导的PFC-8转换成富含（020)和（200）面的PFC-8 350，在每个不对称单元中显示额外的Ni电位使得电池在最佳暴露面表现出了良好的倍率性能，在2.5 A g^-1时容量为139.4 mAh g^-1，即使在30 A g^-1的高电流密度下，容量仍能达到110.0 mAh g^-1。除此之外，电池的最大功率密度可达42.7kW kg^-1，甚至可以与许多超级电容器相媲美。DFT模拟结果表明，与原始PFC-8相比，PFC-8 350表现出更强的OH^-吸附行为和优异的电子结构，具有更高的比容量和更高的倍率性能。相关研究成果以“Regulating Exposed Facets of Metal-Organic Frameworks for High-rate Alkaline Aqueous Zinc Batteries”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

三、核心创新点

通过对材料特定晶面的调控，可以增加额外的活性位点，增强粒子的扩散运输，不同晶面的不同原子排列可以带来对电化学性能有利的电子结构，在调节MOFs氧化还原反应的电化学动力学和反应活性方面的问题提供新的视角。

四、数据概览

图1  a) PFC-8和PFC-8 350的TGA曲线，b)PFC-8和PFC-8 350的整体XPS光谱，c)PFC-8和PFC-8 350的高分辨率N 1s XPS光谱，d)PFC-8和PFC-8 350的高分辨率Ni 2p XPS光谱，e)PFC-8和PFC-8 350的 XRD曲线，f)PFC-8和PFC-8 350对应的峰值强度比值,g)和j)PFC-8 350的透射电镜图像,h)PFC-8框架不同晶面的原子结构图, i)PFC-8框架中(110)晶面图,k)PFC-8框架中(200)晶面图,l)PFC-8框架中(020)晶面图 © 2022 Wiley-VCH GmbH

图2  a)PFC-8和PFC-8 350在5mVs^-1扫描速率下的CV曲线，b)PFC-8和PFC-8 350的速率性能曲线，c)PFC-8 350 和d)PFC-8在不同电流密度下的GCD曲线，e)Zn||PFC-8 350电池在从1到5mVs^-1不同扫描速率下的CV曲线，f）峰1、g）峰2和h）峰3的log (i)和log (v)之间的拟合图，i) Ragone图比较了Zn||PFC-8 350电池与其他碱性水系电池和超级电容器的功率密度和对应能量密度，j)PFC-8和PFC-8 350电极在电流密度为10Ag^-1下的循环性能 © 2022 Wiley-VCH GmbH

图3  a)充放电曲线和相应的正极收集阶段，b)高分辨率N 1s XPS谱，c)高分辨率Ni 2p XPS谱，d)PFC-8 350 阴极在不同充放电深度下的FTIR曲线，e)PFC-8 350 阴极的两步氧化还原反应的示意图 © 2022 Wiley-VCH GmbH

图4  a-e)吸附OH^-基团后具有不同切面的PFC-8板的原子结构侧视图，f)OH^-在不同表面上的吸附能，g-i）由这两个平面组成的（110）（020）和（200）平面的状态图的密度 © 2022 Wiley-VCH GmbH

五、成果启示

MOFs作为一种很有发展潜力的充电电池电极材料越来越被广泛应用，但大多数都仅局限于直接使用，没有进一步的优化改性，本文通过简单的热修饰策略调节主暴露面，使得电池表现出良好的速率性能和长期的循环稳定性，为调节电池的MOF基电极的电化学性能打开了新的大门，提供了新的思路。

原文详情：https://doi.org/10.1002/anie.202209794

本文由meiweifengmaozi供稿