华东师范大学潘丽坤/暨南大学黎晋良CEJ：基于MXene原位生长Sn-MOF的快速电子转移设计实现高性能储锂

第一作者：杨自豪

通讯作者：潘丽坤*，黎晋良*，王嘉琛*

单位：华东师范大学，暨南大学

金属-有机框架（MOFs）因其可调骨架结构、大比表面积以及有序多孔特性，展现出在锂离子电池领域的巨大潜力。其稳定的骨架结构能够有效缓解锂离子在嵌入/脱出过程中因机械应力引发的体积变化，从而提升电池性能。然而，MOFs的低电导率和锂离子扩散速率限制了其在快速充放电过程中的实际应用，导致电极/电解质界面电阻显著增加。该工作采用了一种低温原位生长的合成策略，成功将Sn-MOF紧密且均匀地锚定在MXene纳米片表面。这一策略不仅显著降低了Sn-MOF的电子转移阻抗，还进一步提升了其储锂能力。此外，通过非原位XRD、XPS等多种先进的表征方法，深入探究了Sn-MOF的储锂机理，为设计具有增强快速电子转移能力的锂离子存储负极材料提供了重要指导。本研究不仅为MOFs在锂离子电池中的应用开辟了新的途径，还为未来高性能负极材料的设计提供了有益的启示。作者认为这一策略能够在锂离子电池领域得到更广泛的应用，推动锂离子电池技术的持续进步。

虽然机械混合方法在复合材料制备中得到了广泛应用，但该方法常因搅拌效率受限、操作条件波动等因素导致粒子混合不均匀，进而对最终复合材料的性能产生负面影响。在本项研究中，采用了一种原位生长的策略，利用MXene上带负电荷的官能团与带正电荷的Sn离子之间的静电相互作用，使Sn-MOF能够有效地锚定在MXene表面。不仅确保了Sn-MOF与MXene之间均匀且紧密结合，还有效阻碍了MXene和Sn-MOF的团聚和堆叠。此外使用低温的简单湿化学法合成，有效防止了MXene在制备和使用过程中的氧化，进一步提升了复合材料的电化学稳定性。

对MXene-Sn-MOF复合材料进行了一系列的表征和电化学性能测试。实验结果显示，Sn-MOF能够均匀且紧密地锚定在MXene纳米片的表面，这一结构特点显著增大了材料的比表面积，进而为锂离子提供了更多的活性位点，有效提升了材料的储锂容量。在0.1 A g^-1的电流密度下，该复合材料经过100次循环后展现出高达1009 mAh g^-1的可逆存储容量，即使在高达2 A g^-1的电流密度下，MXene@Sn-MOF复合材料在经历500次循环后仍能维持540 mAh g^-1的可逆比容量，这一结果充分证明了其卓越的倍率性能和循环稳定性。

借助非原位的XRD和XPS等先进的表征技术，对Sn-MOF的储锂机制进行了深入探究。研究结果表明，Sn-MOF之所以展现出优异的储锂性能，主要归因于以Sn核为中心的合金化反应、有机配体的固有氧化还原相互作用以及有机分子间发生的复杂超锂化反应。这些相互作用，共同促进了锂离子的嵌入与脱出过程，从而实现了高效的锂存储。通过原位EIS测试和GITT分析。发现MXene@Sn-MOF复合材料的电子转移性能得到了显著增强，这主要得益于MXene纳米片的高导电性。同时，复合材料还加速了反应产物与电解质之间的离子交换，从而提高了锂离子的扩散速率。

通过设计原位生长的合成策略，解决了MOFs材料存在固有的导电性差的缺陷，还使得复合材料具备优异的储锂性能和稳定的结构，为锂离子电池等电化学储能器件的发展提供了新的思路和解决方案。

Zihao Yang, Chaocang Weng, Fanyue Meng, Yingying Ji, Jiabao Li, Ting Lu, Jinliang Li,* Jiachen Wang *, Likun Pana*, In situ construction of Sn-based metal-organic frameworks on MXene achieving fast electron transfer for rapid lithium storage，Chemical Engineering Journal, 2024, 486, 150299

潘丽坤教授：华东师范大学物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室教授、博导。科睿唯安2021-2023年全球高被引科学家，爱思唯尔2021-2022年中国高被引学者。1997、2001和2004年分别毕业于复旦大学（学士）、中科院声学研究所（硕士）和新加坡南洋理工大学（博士）。目前研究方向为功能材料及能源、环境和柔性智能化应用。已发表SCI论文400余篇，其中第一/通讯作者SCI论文300余篇，被引用30000多次，H指数100。授权中国发明专利30余项。主编3本英文著作。目前担任Journal of Colloid and Interface Science等期刊的编委。

黎晋良副研究员：暨南大学物理学系，博士，副研究员，2012和2017年分别毕业于华南理工大学（学士）和华东师范大学（博士），随后加入暨南大学从事博士后工作，2020年入职暨南大学物理学系，从事Li/Na/K/Zn离子电池电极材料开发与电解液设计方面工作。相关成果以第一/通讯作者在Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.等高水平期刊发表论文50余篇，论文引用超过5400次, H指数41，入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家。获得省级科技奖励2项，授权中国发明专利6件，主持国家级、省部级项目6 项。入选2020年度中国博士后科学基金资助者选介。担任广东省材料研究学会青委会委员，国际学术期刊Batteries编委，中文期刊《材料研究与应用》青年编委，国际学术期刊Rare Metals青年编委。