北京化工大学吕永琴教授团队Angew：醌式二维金属有机框架材料：同时赋能高性能微型超级电容器与固态锂电池

随着可穿戴电子、植入式诊断设备及物联网节点的飞速发展，微纳尺度储能器件正面临前所未有的性能挑战：既要高功率、长寿命，又要结构紧凑、具备良好的机械适应性。微型超级电容器（Micro-Supercapacitors, MSCs）和固态锂电池作为两类核心解决方案，分别依赖高导电碳材料与离子导电聚合物/陶瓷体系发展，材料体系与工作机理差异显著，器件集成复杂。能否在同一分子材料平台上同时实现高效电子存储与离子传输，从而服务于多功能微型储能器件？这一问题长期制约着新一代微纳储能系统的发展，也是材料化学领域亟待突破的关键科学挑战。

二维MOF：机遇与瓶颈并存

二维金属有机框架（2D MOFs）因其可设计的有机配体、可调的配位结构与有序层状构筑，为构建新型储能材料提供了理想模型。然而，传统MOFs在电化学应用中仍普遍面临：有效容量利用率低；电荷/离子传输动力学受限；氧化还原活性多集中于金属节点，难以实现多路径储能。

近年来，引入共轭或氧化还原活性配体被认为是突破瓶颈的重要方向。其中，醌式结构因其闭壳-开壳共振特性，可支持可逆多电子转移和灵活能级调控，展现出独特优势。然而，受制于合成兼容性差、框架稳定性与结晶度不足等问题，将醌式单元稳定引入有序二维MOF骨架的研究极为罕见。

关键突破：稳定醌式二维MOF的构筑与功能激活

微型超级电容器性能：

当该二维MOF纳米片与石墨烯复合并构筑微型超级电容器（MSC）电极时，器件展现出优异的电化学储能性能。所得MSC的面积电容高达29.6 mF cm-2，体积电容达到18.1 F cm-3，并在160 mW cm-3的高功率密度条件下实现了2.6 mWh cm-3的体积能量密度。得益于醌式配体与金属节点协同参与的快速赝电容反应以及二维层状结构带来的高效电子传输通道，该器件在能量密度与功率密度之间实现了良好平衡，其综合性能显著优于大多数已报道的二维MOF、石墨烯及碳基微型超级电容器体系。

固态锂电池性能：

进一步地，将该MOF纳米片引入聚氧化乙烯（PEO）基固态聚合物电解质中，构建的固态锂电池同样表现出突出的综合性能。在0.2 C倍率下，电池的放电比容量可达169.8 mAh g-1，并在连续400次充放电循环后仍保持93%的容量保持率，显示出优异的循环稳定性与界面相容性。相较于传统PEO基固态电解质以及多数已报道的MOF基固态聚合物电解质体系，该体系在容量、倍率性能和循环寿命等关键指标上均实现了显著提升，凸显了该醌式二维MOF在固态储能领域的应用潜力。

通过单晶X射线衍射、光谱表征、密度泛函理论（DFT）计算以及系统的器件电化学测试，研究团队系统建立了从分子结构设计、能带调控到器件电化学性能之间的完整构效关系，深入揭示了二维层状结构中层间邻近效应对能带色散与表面反应活性的关键调控作用，以及材料剥离程度对离子可及性和电化学反应动力学的影响机制。在此基础上，该工作在概念与方法上实现了两方面核心创新：一方面，首次证实了化学稳定的醌式AQM单元能够在保持高氧化还原活性和晶态结构有序性的前提下，被成功引入二维金属有机框架材料中；另一方面，提出了一种“邻近可调的电子/离子协同设计”新策略，通过协同优化层间轨道耦合与富杂原子纳米通道结构，在同一材料体系中同时实现赝电容储能所需的电子离域与固态电解质体系所需的高效离子输运，为多功能微型储能器件和固态电池材料的理性设计提供了新的理论依据和结构范式。

该研究不仅为新型醌式二维MOF的理性设计提供了普适性思路，也为高性能微型储能器件与固态电池的发展开辟了全新的材料平台。未来，该类材料有望在连续微纳制造、植入式生物传感器以及极端环境能源系统等前沿应用中发挥关键作用。

该研究成果近期在线发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上，北京化工大学生命科学与技术学院陈自慢博士、石河子大学李娜娜博士和上海交通大学在读博士生杨易龙为论文共同第一作者，北京化工大学吕永琴教授和美国劳伦斯伯克利国家实验刘毅研究员为共同通讯作者。