發(fā)布時間：2023年3月23日
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近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院感知科學與工程學院高國副研究員團隊的研究論文“Porous MOF derived TiO2/ZnO/C@CNTs composites for enhancing lithium storage performance”（多孔MOF衍生TiO2/ZnO/C@CNTs 復合材料用于增強儲鋰性能）在期刊《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表。該研究報道了一種金屬有機框架（MOFs）衍生的多孔TiO2/ZnO/C@CNTs復合材料，通過對其形貌和成份的合理設計，實現(xiàn)了良好的循環(huán)性能和倍率性能，顯示出用作鋰離子電池負極材料的前景。
研究背景
金屬有機框架(MOFs)材料因為本征的多孔結構、超高的比表面積和大量的活性位點，近年來在鋰離子電池負極材料領域有著廣泛的研究。但是因為較低的電導率和較差的化學穩(wěn)定性，MOFs的實際應用受到了嚴重限制。將MOFs在合適的條件下進行熱解，可以獲得含有金屬氧化物(MO)和碳層的MO/C復合材料，同時保持MOFs的骨架結構，是提升MOFs電化學儲鋰性能的有效方法之一。
研究亮點
該研究通過構建雙MOFs材料來合成多孔TiO2/ZnO/C@CNTs復合材料，進而優(yōu)化性能。
首先，理性設計的雙MOFs復合材料，能夠將兩種MOFs材料的優(yōu)勢充分利用。通過官能團控制將兩種MOFs (MIL-125和ZIF-8)異構化，獲得均勻的雙MOF復合材料MIL-125/ZIF-8。
其次，使用多壁碳納米管（CNTs）作為交聯(lián)劑，防止ZIF-8從復合材料表面脫落，得到MIL-125/ZIF-8@CNTs復合材料。同時，CNTs可以進一步提高材料的導電性、穩(wěn)定性和孔隙度。
第三，將MIL-125/ZIF-8@CNTs燒結得到多孔TiO2/ZnO/C@CNTs復合材料（如圖1）。MIL-125經(jīng)熱解后轉化為TiO2/C, ZIF-8轉化為ZnO/C，CNTs包裹在TiO2/ZnO/C表面。分散在材料表面的CNTs不僅可以防止ZIF-8衍生的ZnO在循環(huán)過程中從材料表面脫落，而且可以提高復合材料的導電性，增加結構的穩(wěn)定性，緩解材料在充放電過程中的體積膨脹。燒結過程中由于氣體溢出形成了豐富的介孔，豐富的孔洞結構利于電解液的滲入且能容納充放電過程中的體積變化。由MIL-125衍生的TiO2具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，由ZIF-8衍生的ZnO具有較高的比容量，復合材料因而具有良好的綜合性能。
電化學測試表明，制備的多孔TiO2/ZnO/C@CNTs具有良好的儲鋰性能（圖2）。顯示出良好的循環(huán)性能和倍率性能：在100 mAg?1電流密度下，100次循環(huán)后的容量為816.8 mAg?1，即使在2 Ag?1的高電流密度下經(jīng)過500次循環(huán)后，容量仍然可以達到800 mAhg?1以上（圖3）。
論文信息
上海交通大學電子信息與電氣工程學院碩士生程暉和徐桂英為論文的共同第一作者，高國副研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(81671737)和上海交通大學交叉學科項目（YG2021QN102, YG2021QN65, YG2019QNB31）的資助。
來源：上海交通大學/ 交大智慧 2023.3.21