楼雄文团队Angew.：双金属MOFs纳米盒实现Li-S电池的加速氧化还原和多硫化物的捕获
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研究内容
鉴于硫（S）资源的高理论能量密度和低成本，锂-硫（Li-S）电池被认为是下一代储能系统的有前途的候选者。抑制多硫化物扩散和促进氧化还原动力学是Li-S电池面临的主要挑战。
香港城市大学、新加坡南洋理工大学的楼雄文团队设计并制备了一种新型的ZnCo基双金属有机框架纳米盒（ZnCo-MOF NBs），用作Li-S电池的功能性硫主体。ZnCo-MOF NBs的中空结构可以确保快速的电荷转移、提高的硫利用率和对多硫化锂（LiPSs）的有效限制。ZnCo-MOF NBs中原子分散的Co-O4位点可以牢固地捕获LiPSs并电催化加速其转化动力学。得益于多种结构优势，ZnCo-MOF/S正极显示出高可逆容量、优异的倍率能力和300次循环的延长循环性能。相关工作以“Bimetal-Organic Framework Nanoboxes Enable Accelerated Redox Kinetics and Polysulfide Trapping for Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
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研究要点
要点1.作者通过连续的阳离子和配体交换反应设计并合成了一种新型的ZnCo基导电双金属MOF纳米盒（ZnCo-MOF NBs），作为Li-S电池的有效硫主体。
要点2.原子分散的Co-O4位点显示出对LiPSs的强吸附，并电催化促进了LiPSs氧化还原动力学以抑制穿梭效应。中空结构不仅可以封装足够的硫并适应其大的体积膨胀，而且可以物理抑制LiPSs的扩散，确保延长循环寿命。
要点3.基于ZnCo-MOF/S正极的组装的Li-S电池在0.1 C下显示出1076 mAh g-1的高可逆容量，在0.5 C下显示出超过300次循环的延长寿命，每次循环具有0.048%的小容量衰减和98%以上的稳定库仑效率。即使在1.0 C下循环，ZnCo-MOF/S电极也可以实现300次循环的稳定循环，每次循环的容量衰减率为0.023%。
该工作将为锂硫电池和其他先进的硫基储能系统的中空MOF基主机的设计提供新的灵感。
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研究图文
图1. TA-ZnCo NBs在不同放大率下的的（a，b）FESEM和（c，d）TEM。ZnCo-MOF NBs的（e，f）FESEM、（g，h）TEM和（i）HAADF-STEM和元素映射图像。
图2. ZnCo-MOF NBs和参考材料的（a）Co和（b）Zn K-edge XANES光谱。ZnCo-MOF NBs和参考材料的（c）Co和（d）Zn K-edge EXAFS光谱的FT曲线。ZnCo-MOF NBs在R空间上的（e）Co和（f）Zn K-edge EXAFS拟合结果。（g）ZnCo-MOF NBs、Co箔和Zn箔的EXAFS光谱的WT等高线图。
图3.（a）ZnCo-MOF/S和Zn-MOF/S电极的倍率能力以及（b）ZnCo-MOF/S电极在0.1-2.0 C的电流密度下的电压分布。（c）ZnCo-MOF/S和Zn-MOF/S电极在1.0 C下的放电/充电电压分布的比较。（d）ZnCo-MOF/S和Zn-MOF/S电极的EIS。（e）ZnCo-MOF/S和ZnMOF/S电极在0.5 C下的循环性能。
图4.（a）Li2S6溶液与ZnCo-MOF NBs和Zn-MOF NBs相互作用后的UV-Vis光谱。（b，c）Li2S6在ZnCo-MOF和Zn-MOF上的吸附模型。（d）ZnCo-MOF NBs在Li2S6溶液吸附前后的Zn 2p和（e）Co 2p XPS光谱。（f）ZnCo-MOF NBs在Li2S6溶液吸附后的S 2p XPS光谱。
图5.（a）计算的ZnCo-MOF和Zn-MOF中Zn和Co的PDOS和（b）d带中心。（c）ZnCo-MOF LiS的Co-d、Co-s和s-p轨道的PDOS。（d）Zn-MOF-LiS的Zn-d、Zn-s和s-p轨道的PDOS。（e）LiS吸附后ZnCo-MOF的微分电荷密度，等值为0.005 e bohr-3。黄色和青色区域分别表示电荷积累和耗尽。（f）Li2S在ZnCo-MOF和Zn-MOF上分解的能量分布。
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文献详情
Bimetal-Organic Framework Nanoboxes Enable Accelerated Redox Kinetics and Polysulfide Trapping for Lithium-Sulfur Batteries
Zhuo Zhu, Yinxiang Zeng, Zhihao Pei, Deyan Luan, Xin Wang, Xiong Wen (David) Lou*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202305828
