庞欢教授ACIS综述：金属有机框架（MOFs）复合材料作为储能应用的有前景的材料

01【导读】

金属有机骨架（MOF）复合材料具有多孔性好、多功能、结构多样、化学成分可控等优点，被认为是最重要的储能材料之一，这为找到适合电池和超级电容器的电极材料提供了很大的可能性。然而，MOF复合材料仍然面临着各种阻碍其实际应用的挑战和困难。

02【成果掠影】

近日，扬州大学庞欢教授等发表了评述性论文，介绍和总结MOF复合材料在电池中的应用，涵盖金属离子电池、锂硫电池、锂氧电池和锌空气电池，以及超级电容器。此外，作者还总结了MOF复合材料在电池和超级电容器中的应用挑战。作者最后提出了这两类电化学储能器件进一步发展的基本思路和方向。

相关综述文章以“Metal-organic framework (MOF) composites as promising materials for energy storage applications”为题发表在Advances in Colloid and Interface Science上。

03【核心内容】

1.近年来，基于MOF/功能材料复合材料的储能器件的研究进展在电池和超级电容器方面取得了成果，尤其是在不同功能材料与MOF的结合方面，如MOF/碳质材料复合材料、MOF/聚合物复合材料、 MOF/MXene 复合材料。与传统的EES器件相比，由于MOF与功能材料的协同作用，EES器件的电化学性能显着提高。但是，仍然存在一些实际挑战。在这里，就该领域的一些关键挑战和问题，作者提出了自己的看法：(1) 虽然 MOF/MOF 复合材料具有可控的化学成分和多孔结构，有可能成为活性电极材料，但 MOF/MOF 复合材料正极的循环稳定性和容量不如商用正极材料，例如 LiFePO4 和LiCoO2 正极。(2) MOF在充电和放电过程中可以不可逆地分解或转化为非晶相。此外，在水、酸和碱环境中也可能发生 MOF 解体和骨架坍塌。它极大地阻碍了其在EES设备中的广泛应用。(3) 许多MOF导电性差是一个需要克服的障碍，因为由此产生的高电荷转移电阻不利于倍率容量和循环稳定性，这也在一定程度上限制了MOF复合材料的开发和应用。(4) 尽管由 MOF/MOF 复合材料组成的电极材料显示出良好的性能，但它们在电化学过程中的具体结构变化和精确效应仍然模棱两可。了解它们的机理对于构建廉价且易于制造的高性能电极材料具有重要意义。(5) 成本是MOF/MOF复合电极广泛使用中最重要的问题之一。使用昂贵的配体和繁琐的织物阳离子技术给大规模生产带来了许多困难。

2.虽然 MOF 复合材料存在上述挑战和问题，但为了解决这些挑战和问题，提高 MOF 复合材料的电化学性能，人们发现了以下方法来解决上述问题：(1) 合理选择有机配体、金属离子和小分子量、多氧化还原活性位点的功能材料可以获得满意的容量。(2) 一些处理策略，例如压制和相变，可用于制造 MOF 膜，从而克服固有的脆弱性和可加工性限制。这些限制也可以通过合理选择有机配体和金属离子来克服。(3) 缓解这一问题的一种策略是将 MOF 与新型导电添加剂结合以制备先进的 MOF 复合材料。复合材料不仅弥补了单一组件的一些缺点，而且体现了每个组件的长处。此外，导电MOF的生产为解决这一问题指明了方向，尽管该材料仍处于起步阶段。(4) 为了更好地理解电化学机理，有必要通过现场测量、理论计算和模拟进行深入研究。此外，先进的表征仪器也必不可少。(5) 随着多种简单有效的合成方法（如一锅溶剂法）的发展，以相对较低的成本大规模合成MOF和MOF复合材料成为可能。

除了解决这些问题，我们相信还有办法促进MOF/MOF复合材料在EES器件中的应用和商业化。(1) 应加强新型二维MOF的设计与研究。二维 MOF 可能是最有希望支持有效插层的材料之一。具有适当相互作用的金属簇和连接器的二维 MOF 可以提供出色的循环稳定性和优异的电化学性能。此外，二维 MOF 可以与其他二维功能材料（例如 MXene）相结合，设计出具有有趣特性的新型异质结构。(2) 合理选择有机配体对MOF的结构具有重要意义。对于 MIB，优选 MOF 中具有丰富氧化还原活性位点的有机连接剂，从而在每种 MOF 配方中储存更多的金属离子。对于LSBs，能有效限制多硫化物功能性有机配体的MOF具有阻断溶胶三硫化物穿梭效应的优势。对于 LOB，合适的有机连接体有助于构建混合基质薄膜，防止水和二氧化碳进入电池形成沉积物。对于 SCs，合适的有机连接体有助于构建导电 MOF 并增强电化学性能。

作者简介

庞欢，南京大学理学博士，扬州大学教授，博士生导师。教育部新世纪优秀人才（2013）；教育部青年长江学者（2018）；江苏省杰出青年（2020）；全球高被引学者。作为扬州大学代表之一与Elsevier联合创刊EnergyChem、担任管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员；多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事基于配合物框架材料的能源化学研究。近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊发表SCI论文300多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为84。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部：《能源化学》、《能源化学实验》高教社。授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖（2020，R3）、江苏省教育教学与研究成果奖二等奖（2018，R1）、河南省科学技术进步二等奖（2016，R3）、中国电子学会科学技术一等奖（2019，R4）、大学生挑战杯全国一等奖（2017）、三等奖（2019）指导教师、扬州大学“金讲台”奖（2018）。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/panghuan

文献链接：Metal-organic framework (MOF) composites as promising materials for energy storage applications. https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102732.