西北工业大学，贺亦柏副教授，AFM观点：一步法合成金属-共价有机框架，助力锂硫电池突破瓶颈

第一作者：杨科

通讯作者：贺亦柏*

单位：西北工业大学

近年来，锂硫电池（Lithium–sulfur batteries, LSBs）因其高理论比能量（2600 Wh·kg⁻¹）和丰富的硫资源，被认为是最具潜力的新一代储能系统之一。然而，其商业化进程面临两大挑战：多硫化物“穿梭效应” 导致活性物质流失，电池容量快速衰减；锂枝晶生长带来安全隐患，影响循环稳定性。为解决这些问题，研究者们尝试在电池隔膜中引入功能材料，催化多硫化物转化并调控锂沉积行为。其中，金属-共价有机框架（Metal–Covalent Organic Frameworks, MCOFs）材料作为新兴功能材料脱颖而出。MCOF拥有诸多的优势：i）结合了MOFs的可调配位金属位点与COFs的高结晶性、化学稳定性与有序多孔结构；ii)可设计性强：通过引入金属节点实现功能调控，如催化、吸附、电荷分布等；iii)适合构建隔膜修饰层：具备优异的界面稳定性和离子选择性，有助于提升锂硫电池的整体性能。尽管MCOFs极具潜力，但目前其应用仍受限于合成工艺复杂、结构控制困难等瓶颈，特别是金属单原子级别掺杂更是极具挑战。

基于此，西北工业大学材料学院贺亦柏副教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊发表题为：“Developing a One‐Pot Strategy to Synthesize Metal–Covalent Organic Frameworks as Catalysts for Polysulfide Conversion and Ion Calibrators for Lithium Deposition”的研究成果。该工作提出一种简便高效的一步法合成策略，将Zn单原子原位引入COF骨架中，构筑高催化活性与高离子调控能力兼具的Zn-COF材料，并应用于锂硫电池隔膜修饰，有效抑制穿梭效应与锂枝晶，实现性能的大幅提升。

采用一步反应策略，实现Zn²⁺与COF骨架中的N/O原子配位；Zn以**+2价单原子形式稳定存在，金属含量高达12.43%，结构稳定，分布均匀。

图1 Zn-COF的具体制备流程。

图2 Zn-COF结构表征。

要点二：强催化+强吸附：双重作用提升多硫化物转化

Zn原子位点有效吸附并催化Li₂Sₓ物种的双向转化；实验数据表明其能显著降低极化、提升转化动力学、抑制穿梭效应。

图3 Zn-COF对多硫化物的吸附和催化作用。

要点三：均匀锂沉积，有效抑制枝晶

Zn位点具有锂亲和性，结合有序多孔结构，实现锂离子的流均匀性与电流密度平衡；循环寿命提升至超过2000小时，在10 mA·cm⁻²下依然无枝晶形成。

图4 锂对称电池性能。

要点四：锂硫电池性能大幅提升

初始比容量高达1535 mAh·g⁻¹（0.1 C）；在高倍率（4 C）下循环1000次，容量保持率远优于对比材料；高硫载量、高面积容量测试下仍表现稳定，具备实用化潜力。

图5 锂硫电池性能。

要点五：总结与展望

本研究通过一步法构筑高Zn含量的Zn-COF，实现了电化学催化与锂离子调控双重功能，为金属-COF材料在锂硫电池领域的实用化提供了可行路径。这一策略不仅简化了金属单原子COF的合成工艺，也为探索其他过渡金属掺杂的MCOF材料提供了通用思路，有望拓展至多种高性能电池体系。

Ke Yang, Fei Zhao, Chan Li, Shaokun Zhou, Juan Li，Haoyuan Yang, Yichen Wang, Xuqing Liu, Yibo He*, Developing a One-Pot Strategy to Synthesize Metal–Covalent Organic Frameworks as Catalysts for Polysulfide Conversion and Ion Calibrators for Lithium Deposition. Adv. Func. Mater., 2025, 2501980. DOI: 10.1002/adfm.202501980

贺亦柏，西北工业大学材料学院副教授，博士生导师，“陕西省高层次人才引进计划”青年项目入选者。以第一作者/通讯作者在Nature Commun., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy. Mater.等材料、化学及能源领域的国际高水平期刊上发表原创性研究论文20余篇，被他引3000余次，H指数22（Google Scholar）。主持国家自然科学基金等项目5项。