ChemPhysMater丨「山东大学冯金奎课题组」金属有机框架（MOFs）及其衍生物用于稳定金属锌负极的研究进展

文 章 引 用

Chuanliang Wei, Liwen Tan, Yuchan Zhang, Shenglin Xiong, Jinkui Feng. Metal-organic frameworks and their derivatives in stable Zn metal anodes for aqueous Zn-ion batteries, ChemPhysMater, 1(2022), 252-263.

https://doi.org/10.1016/j.chphma.2021.09.003

研 究 目 的

      金属锌具有电化学电势低（−0.76 V）、理论比容量高（820 mAh g−1）、成本合理、环境友好、易于加工、化学活性较低等优势，因此其被认为是最有前途的水系锌离子电池负极材料之一。但是，一些问题阻碍着金属锌负极的进一步发展和应用。这些问题包括不可控的锌枝晶生长、水系电解液对金属锌的腐蚀、充放电过程中锌电极较大的体积波动、不稳定的界面等。

      近年来，金属有机框架（MOFs）及其衍生物在解决金属锌负极问题方面展现出巨大的优势，一些研究成果被陆续报道。对这些研究成果进行及时总结和分析是十分必要的。

研 究 内 容

      近日，山东大学材料科学与工程学院冯金奎教授课题组综述了MOFs及其衍生物在解决金属锌负极问题方面的研究进展，同时提出了一些观点和展望。相关研究成果以“Metal-organic frameworks and their derivatives in stable Zn metal anodes for aqueous Zn-ion batteries”为题发表在国际期刊ChemPhysMater上，魏传亮博士为第一作者。

▲图1 MOFs及其衍生物在稳定金属锌负极方面的应用

主 要 结 果

      MOFs及其衍生物在解决金属锌负极存在的问题时具有很多内在优势。第一，MOFs的结构具有可调节性。因此，可以设计具有特殊结构的MOFs（比如MOF薄膜）用于解决金属锌负极存在的问题。第二，MOFs可以原位生长在很多基底上（如隔膜、集流体、锌箔等），这可以用来调控金属锌的沉积行为。第三，MOFs具有丰富多样的官能团，可以用来调控锌离子流，进而促进均匀的锌沉积。第四，MOFs能够被碳化为含有金属位点的多孔碳。这种多孔碳可以用作金属锌的宿主，以解决金属锌负极的体积膨胀问题。第五，MOFs具有规律性的内部通道，可以用来调控锌离子的传输行为，进而诱导均匀的锌沉积。

      因此，MOFs及其衍生物可以通过以下方式解决金属锌负极存在的问题：界面改性、为无宿主的金属锌设计MOF基宿主、修饰隔膜以调控锌离子的传输、构筑MOF基固态电解质以减小水系电解质对金属锌负极的腐蚀等。

结 论

      MOFs及其衍生物能够有效地缓解金属锌负极存在的问题。但是相关研究才刚刚起步，处于萌芽阶段。以往的研究主要通过基于MOF的界面改性来解决金属锌负极存在的问题，采用的MOF种类也较少。此外，很多研究只是处于概念验证阶段，缺乏系统而深入的研究。因此，未来还需要大量的相关研究，比如增加MOF的应用种类、开发MOF基电解质添加剂、设计MOF基异质结、评估全电池的性能等。

▲图2 未来可选择的研究方向

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期刊介绍

ChemPhysMater

（《化学物理材料（英文）》）

《ChemPhysMater》英文期刊由山东大学联合科爱（KeAi）出版社合作创办，已于2019年入选国家卓越计划高起点新刊项目。 该刊已加入Golden Open Access，文章一经录用，将发表在ScienceDirect平台全文开放获取，2023年12月31日前投稿，免收发表费。

ChemPhysMater以创办世界一流的化学、物理、材料领域的学术期刊为目标，瞄准多学科交叉研究的动态和原创性的重大研究成果，涵盖的主题包括但不限于：

• 材料的合成、组装及应用，包括一维和二维纳米材料、胶体粒子、薄膜和凝胶等

• 表面和界面 

• 化学、物理和材料学科的理论和计算 

• 具有实用性能的功能材料；例如：光学、电学、磁学、催化、低污染、黏性和力学性能

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• 先进的表征技术等

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