程志斌&张章静教授团队，AFM：路易斯酸性增强的金属有机框架作为Li-CO2电池的高效正极催化剂

第一作者：程志斌，董璘

通讯作者：程志斌，张章静

单位：福建师范大学

大气中二氧化碳的累积导致了全球变暖和气候变化, 凸显了实现碳中和的紧迫性。与此同时, 电动汽车和便携式电子产品的迅速发展极大地增加了对高能量密度储能系统的需求。而锂-二氧化碳（Li- CO₂）电池电池因其兼具CO₂资源化利用特性与1876 Wh kg⁻¹的超高理论能量密度，被视为下一代储能体系的重要候选者。然而，Li₂CO₃的高分解势垒与CO₂还原反应动力学迟滞等问题，严重制约着电池的循环寿命与能量效率。

开发双功能正极催化剂对于解决锂-二氧化碳电池所面临的挑战至关重要。金属有机框架 (Metal-Organic Frameworks, MOFs) 材料由于其高比表面积、可调功能化以及结构明确等特点, 在Li-CO₂电池中展现出巨大潜力。通过精准调控MOFs金属节点的电子结构，成功构建了具有路易斯酸性增强的活性位点，同步优化了CO₂还原反应与Li₂CO₃分解动力学，从而实现了优异的双向催化性能，显著改善电池过电位和循环稳定性。

基于此，福建师范大学化学与材料学院张章静、程志斌研究团队在知名期刊Advanced Functional Materials（IF: 18.5）上发表题为“Lewis Acidity-Enhanced Metal-Organic Frameworks as High-Efficiency Cathode Catalysts for Advanced Li-CO₂ Batteries”的研究工作。

该团队通过核簇调节设计一种Lewis酸性增强的MOF正极催化剂，实现了锂-二氧化碳电池的低过电位和长循环稳定性。这种三核锰簇MOF催化剂（Mn₃-MOF）采用一步水热法简易合成，其增强的路易斯酸性显著加速了CO₂还原反应和Li₂CO₃分解，从而实现了优异的双向催化性能，降低了过电位循环和提升了循环稳定性。这一研究不仅揭示了Lewis酸性提升策略在高效催化剂设计中的关键作用，还为高性能Li-CO₂电池的开发提供了新的思路，同时推动了MOF基金属催化剂在储能领域的广泛应用。

图 1. (a) Li-CO₂电池中路易斯酸性增强策略的示意图。(b) 具有相同中心金属和配体但路易斯酸性不同的MOFs合成示意图。

图 2. (a) 基于路易斯酸性增强策略的Mn-MOF材料设计。(b) Mn3-MOF和(c) Mn1-MOF的SEM和EDS图。

图 3. (a) Mn3-MOF和Mn1-MOF的Mn 2p XPS图。(b) Mn3-MOF和Mn1-MOF的Py-IR图。(c) Mn3-MOF和Mn1-MOF的计算PDOS。(d) Mn-3d及其配位原子的DOS。(e) Mn3-MOF中Mn1、Mn2、Mn3及O1的DOS。(f) Mn1-MOF中Mn及其配位原子的DOS。(g) I) Mn及配位原子的电荷密度差异；II) Mn1，III) Mn2，IV) Mn3与O1的电荷密度差异。(h) I) Mn3-MOF和II) Mn1-MOF的Hirshfeld电荷分布。

图 4. (a) Mn3-MOF和 (b) Mn1-MOF的原位CO₂吸附-脱附FTIR光谱。(c) 1000 Pa CO₂气氛下Mn3-MOF和Mn1-MOF的FTIR光谱。(d) Mn3-MOF和Mn1-MOF在2350 cm⁻¹附近的FTIR峰面积对比。

图 5. (a) 在0.2 mV s⁻¹扫描速率下，电压窗口为2.0到4.5 V的CV曲线。(b) CRR 的Tafel斜率。(c) CER的Tafel斜率。(d-f) 在1000 mAh g⁻¹限定容量下的速率性能。(g) 以0.2 A g⁻¹电流密度下的循环稳定性。(h) Mn3-MOF和Mn1-MOF在0.2 A g⁻¹电流密度下，限定容量为1000 mAh·g⁻¹时的充放电曲线。

图 6. (a) Mn3-MOF和Mn1-MOF充放电后的电化学阻抗谱。(b) Mn3-MOF放电后的SEM图。(c) Mn1-MOF放电后的SEM图。(d) Mn3-MOF的非原位PXRD和FTIR图。(e) Mn1-MOF的非原位PXRD和FTIR图。(f) 不同状态下的Mn3-MOF的XPS图。(g) 不同状态下的Mn1-MOF的XPS图。

首次将MOF基路易斯酸调控策略引入锂二氧化碳电池体系。相较于传统金属催化剂，本研究通过簇核节点调节构建强路易斯酸性位点，有效解决Li₂CO₃分解势垒过高这一关键瓶颈，为新型催化剂设计提供了全新范式。

要点二：

增强的Lewis酸性的Mn3-MOF显著加速了CO₂还原反应和Li₂CO₃分解。此外，也采用了X射线光电子能谱分析、吡啶吸附红外光谱和d带中心计算成功证明了金属节点调节之后的Mn3-MOF具有更强的路易斯酸性，并论证了其在增强催化活性中的关键作用。

要点三：

路易斯酸增强使该催化剂具有优异的双向催化性能，从而获得显著降低的过电位和提升循环稳定性。Mn3-MOF具有1.27 V的过电位和超过2500 h的出色循环稳定性，在能量效率和循环稳定性方面超过了以前大部分报道的MOF催化剂。

Advanced Functional Materials DOI: 10.1002/adfm.202504330

程志斌简介：博导，福建省级高层次人才，曾获中国科学院院长优秀奖等荣誉，长期致力于多孔界面材料的制备及储能系统关键材料的结构设计和性能研究。近年来以第一作者及通讯作者身份发表在Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、CCS Chem.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等Top期刊论文21篇。以第一发明人申请中国发明专利6项，已获授权3项；担任Polymers等SCI期刊客座编辑，National Science Open等期刊青年编委；主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、福建省面上等项目。