澳门大学许冠南/深圳理工郭鑫团队AS：“轻轨穿楼”的启发——Co-P锚定实现MOF玻璃限域黑磷复合锂电阳极- 大数跨境

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澳门大学许冠南/深圳理工郭鑫团队AS：“轻轨穿楼”的启发——Co-P锚定实现MOF玻璃限域黑磷复合锂电阳极

科学材料站

2025-08-25

导读：澳门大学许冠南/深圳理工郭鑫团队AS：“轻轨穿楼”的启发——Co-P锚定实现MOF玻璃限域黑磷复合锂电阳极

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文章信息

Co-P锚定实现MOF玻璃限域黑磷锂电阳极

第一作者：魏一杰

通讯作者：郭鑫*，许冠南*

单位：澳门大学，深圳理工大学，中科院深圳先进院

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研究背景

锂离子电池（LIBs）是目前主流的储能技术，但传统石墨阳极的理论容量（372 mAh g^-1）已接近极限，难以满足电动汽车等高能量需求应用。黑磷（BP）因其高理论容量（2596 mAh g^-1）和良好导电性被视为理想替代材料，但其在充放电过程中体积膨胀超过300%，导致快速的结构崩塌和容量衰减，严重限制了实际应用。MOF玻璃保留了晶体MOF的结构可调性，又具备玻璃的无序开放结构等优点，可以有效缩短离子扩散路径，缓解机械应力，从而提升反应动力学和缓解体积变化。然而， MOF玻璃作为阳极材料仍存在倍率性能不佳、可逆容量相对较低且需要漫长的循环活化过程以完全释放其深层活性位点等问题。

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文章简介

近日，来自深圳理工大学院士工作站成会明教授、郭鑫教授与澳门大学的许冠南教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“MOF Glass Confined Black Phosphorus via Co─P Anchoring for Advanced Lithium-Ion Battery Anodes”的研究文章。该文章报道了一种通过原位玻璃化制备的复合阳极材料，其中BP纳米颗粒和碳导电网络嵌入在MOF玻璃基体中。在这种复合结构中，BP被封装在MOF玻璃基体中，并通过Co─P键牢固地锚定在Co位点上，形成稳定的BP/CoP异质结构，而导电网络则在MOF玻璃中建立连续的电子和离子传输途径。该结构不仅有利于优化电化学动力学并成功实现对深埋于MOF玻璃内部的锂离子存储位点的预活化，还有效缓解了BP的体积变化。因此，该复合材料表现出显着增强的比容量和优异的循环稳定性，为高性能合金/MOF玻璃复合阳极材料的设计提供了一种新策略。

图1. ZGPC的制备工艺示意图及其作为锂离子电池负极材料的结构优势。

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本文要点

要点一：创新材料设计——“轻轨穿楼”的启发

受重庆标志性的“轻轨穿楼”结构启发，通过原位玻璃化的合成策略设计构筑了一种 ZGPC 复合阳极材料。该材料结构为锂离子的传输与储存构建了一个高效稳定的“城市交通系统”，其具有三个关键的协同结构特征：

1）MOF玻璃的无序开放结构如同山城中的城市建筑群。这种无序的三维框架提供了缩短的离子扩散路径和缓冲体积变化的弹性空间，高效管理和储存锂离子“客流”。

2）碳导电网络充当贯穿建筑群的“高速轻轨”，加速反应动力学，并预建立离子和电子迁移的连续通道。

3）在MOF玻璃化制备过程中，BP通过稳固的Co─P键锚定在MOF玻璃骨架中，形成稳定的BP/CoP异质结构，不仅牢牢锁定BP实现稳定可逆的合金化反应，同时激活MOF玻璃内部深层的锂储存位点，实现锂储存的“高容量枢纽站”。

要点二：电化学性能突破

该ZGPC复合阳极展现出卓越的长循环稳定性，在1A g^-1的电流密度下循环1000次后容量保持率高达98%，体现了优异的结构与电化学稳定性。

同时，与原始的MOF晶体和玻璃材料对比，ZGPC在前1000个循环中的平均比放电容量增加了数倍，实现了高容量的预释放与稳定循环。这得益于材料内部储锂位点的预激活与对BP高效稳定的可逆利用。

要点三：多维度深入机理研究与验证

本研究结合多种先进表征技术与理论计算，系统深入地揭示了ZGPC的性能增强机制：

1）通过XRD、TEM、XPS、EPR及结合能计算等证实了Co─P的形成及其引入的缺陷工程效应。

2）原位TEM直观揭示了<10%的超低体积膨胀率与可逆的结构演变，展现了卓越的缓冲能力。

3）GITT与EIS等测试表明更高的Li⁺扩散系数和更低的电荷转移阻抗，体现出优化的反应动力学。

4）明晰了基于BP合金化和CoP转化反应的可逆储锂机制，并通过DFT计算验证了ZGPC更强的Li⁺吸附能力和更低的扩散能垒。

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文章链接

MOF Glass Confined Black Phosphorus via Co─P Anchoring for Advanced Lithium-Ion Battery Anodes

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202511772

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通讯作者简介

郭鑫教授简介：深圳理工大学助理教授，博士生导师。2019年博士毕业于澳大利亚悉尼科技大学，留任悉尼科技大学清洁能源中心博士后研究员，于2023年入职深圳理工大学材料科学与能源工程学院。入选国家级人才引进计划青年项目、深圳市海外高层次人才。主要从事低成本、高安全性的钠离子电池正负极材料的研发及产业化、以及低维功能材料在电化学能源存储与转化领域的应用基础研究，在国内外高水平学术期刊如Joule, Nat. Common., Adv. Mater., Adv. Energy Mater. ACS Nano等发表学术论文70余篇，总被引10000余次，h-index为45；申请中国发明专利6件并转化2件。多次在国际学术会议上做邀请、口头报告，担任eScience、Battery Energy等学术期刊青年编委及近二十个国际一流期刊的审稿人。

许冠南教授简介：现任澳门大学应用物理及材料工程研究所副教授（2017年至今），此前担任该校助理教授（2015-2017年）。在韩国任教期间，历任釜山国立大学材料科学与工程系助理教授（2009-2013年）和副教授（2013-2015年）。於 2024 年成為英國皇家化學學會會士，並自 2021 年起連續入選史丹佛大學/愛思唯爾評選的全球前 2%科學家。其学术生涯始于美国新泽西州立罗格斯大学电气与计算机工程系博士后研究员（2009年3-8月），形成了从基础研究到工程应用的多学科发展路径。迄今已发表学术论文280余篇（Scopus H-index为62，总被引12854次）。以通讯作者身份在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, Angew. Chem. Int. Ed., EES Batteries等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文300余篇，被引用14,957余次，H因子68。