東北師范大學朱廣山教授團隊Adv. Mater.: 雙活性位點二維共軛MOF用于高性能鉀離子電池

一、【導讀】

鉀離子電池（PIBs）是一種具有高能量密度、低成本和環境友好等優點的新型電池技術，在能源存儲領域備受關注。與鋰離子電池（LIBs）相比，PIBs中的鉀資源比鋰豐富，且具有低成本和高安全性等優點，因此在大規模能源存儲領域具有廣闊的應用前景。然而，鉀離子的半徑較大會導致電極材料的循環穩定性和倍率容量較低。因此，開發新型的正極材料來提高PIBs的性能，是當前研究的熱點和難點。金屬-有機骨架材料（MOFs）是由有機配體與金屬離子/簇之間以配位鍵形成具有拓撲多樣性、高孔隙率和孔徑可調等優點的多孔材料。雖然配位鍵可以阻止有機配體在有機電解質中的溶解，但金屬離子和無活性有機羧酸配體合成的MOFs電極材料的可逆性較差。近年來，由過渡金屬節點與平面π共軛有機配體配位形成的二維π-d共軛MOF（2D c-MOF）逐漸引起研究者的注意。其中，金屬節點d軌道和共軛配體π軌道雜化使得整個體系中的電子分布離域，提高了2D c-MOF的固有電導率和穩定性。此外，配位單元可以作為氧化還原中心接受或失去電子。因此，2D c-MOF作為PIBs的電極材料具有巨大的潛力。

二、【成果掠影】

近日，東北師范大學化學學院王恒國教授、朱廣山教授首次提出將基于六氮雜萘（HATN）合成且具有雙活性中心的二維π-d共軛MOF（Cu-HATNH）與碳納米管（CNT）集成的策略，作為PIBs的正極材料。由于這種策略可以暴露更多的活性位點，同時加速電子的傳遞，為設計具有多個活性位點的高性能PIBs正極材料提供了新機遇。相關的研究成果以“Anchoring π-d Conjugated Metal-Organic Frameworks with Dual-Active Centers on Carbon Nanotubes for Advanced Potassium-Ion Batteries”為題發表在Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

作者首次展示了基于六氮雜萘（HATN）雙活性位點的二維π-d共軛金屬有機骨架（Cu-HATNH），并將其與CNT結合作為正極材料用于PIBs，提高了PIBs的循環穩定性和倍率容量。并通過DFT計算詳細的闡述了雙活性中心（HATN和 [CuO₄]）的鉀離子存儲機理，為設計出具有多個活性位點的高性能PIBs正極材料提供了新的機遇。

四、【數據概覽】

圖1 ?二維Cu-HATNH和Cu-HATNH@CNT的合成和結構。 ??2023 WILEY-VCH

圖2? Cu-HATNH的表征和DFT計算。? ?2023 WILEY-VCH

圖3? Cu-HATNH@CNT的電化學性能。? ?2023 WILEY-VCH

圖4 通過實驗表征確定Cu-HATNH@CNT的K⁺儲存機理。? ?2023 WILEY-VCH

圖5 通過DFT計算確定Cu-HATNH的電荷存儲機理。? ?2023 WILEY-VCH

五、【成果啟示】

綜上所述，作者介紹了一種新型正極材料用于PIBs，通過可控原位生長策略將具有雙活性中心的2D c-MOF（Cu-HATNH）與CNT進行復合，在促進活性位點利用的同時加速電子轉移，從而使Cu-HATNH@CNT作為PIBs正極材料表現出較高的初始容量（100 mA g^-1時為317.5 mA h g^-1），優異的長期循環穩定性（2200次循環后在5 A g^-1下的容量保持率為96.8%）和出色的倍率容量（10 A g^-1時為147.1 mA h g^-1）。此外，通過實驗表征和DFT計算確定了反應機理和性能，為二次電池有機電極材料的設計提供了新的策略。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305605

本文由WYH供稿