张章静教授&陈邦林教授&程志斌副教授，Angew：氢键有机框架材料助力长寿命和高倍率锂二氧化碳电池的构筑- 大数跨境

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张章静教授&陈邦林教授&程志斌副教授，Angew：氢键有机框架材料助力长寿命和高倍率锂二氧化碳电池的构筑

科学材料站

2023-10-25

导读：张章静教授&陈邦林教授&程志斌副教授，Angew：氢键有机框架材料助力长寿命和高倍率锂二氧化碳电池的构筑

文章信息

氢键有机框架材料助力长寿命和高倍率锂二氧化碳电池的构筑

第一作者：程志斌，方燕龙

通讯作者：张章静，陈邦林

单位：福建师范大学

研究背景

随着便携式电子设备的广泛应用，传统锂离子电池已经很难满足我们对能源存储的需求。开发新型高能量密度储能电池已经迫在眉睫。锂二氧化碳电池（Li- CO₂）由于高的理论能量密度（1876 Wh kg^-1），以及低成本和环境友好等优势被视为很有应用前景的高容量存储体系之一。然而，Li-CO₂电池体系中CO₂的氧化还原动力学缓慢，从而导致电池倍率能力差，循环稳定性和能量效率低。这些问题使得要实现Li-CO₂电池的实际应用仍然十分具有挑战性。

设计能够促进Li⁺和CO₂输运的多功能高效正极催化剂对于提高Li-CO₂电池的循环稳定性和倍率能力至关重要。氢键有机框架材料（Hydrogen-bonded organic frameworks，简称HOF）是一类由有机构筑单元通过分子间氢键自组装而成的有序框架材料，具有成本低、合成条件温和、可循环利用等优点。此外，HOF材料在有机电池体系应用中表现出一定的结构优势，可以实现锂离子的快速迁移和良好的循环稳定性。但迄今为止，HOF在锂-二氧化碳电池中的应用探索还没有过相关报道。

文章简介

基于此，福建师范大学化学与材料学院程志斌副教授、张章静教授、陈邦林教授在知名期刊Angewandte Chemie（IF:16.6）上发表题为“Hydrogen-Bonded Organic Framework to Upgrade Cycling Stability and Rate Capability of Li-CO₂ Batteries”的研究工作。

该团队通过设计一种稳定的HOF基多功能正极催化剂，实现了锂-二氧化碳电池在高倍率条件下的长循环稳定运行。该HOF基多功能催化剂由高稳定性的HOF（HOF-FJU-1）和钌纳米颗粒修饰的碳纳米管复合而成。HOF-FJU-1的引入可以有效改善催化剂对CO₂和Li⁺的传输能力，从而可以实现CO₂的高效催化转化。该工作为开发基于HOF的锂-二氧化碳电池催化剂提供了重要借鉴意义，也拓宽了HOF在储能领域的应用范围。

图1 (a) HOF-FJU-1的晶体结构；(b)溶剂稳定性测试；(c)热稳定性测试和(d) CO₂吸附测试；(e) 所组装的锂二氧化碳电池示意图。

图2 (a) Ru 3p和(b) N 1s 的XPS光谱；(c) HOF-FJU-1-Ru@CNT在不同温度下的XRD图谱；(d) Ru@CNT和HOF-FJU-1-Ru@CNT的溶剂分散性测试和电解液润湿能力测试；(e)锂离子传输能力测试；(f) Li⁺和TFSI -与HOF-FJU-1的结合能计算。

图3 (a)电化学阻抗谱；(b)在200 mA g⁻¹下的限容测试；(c) 100 mA g⁻¹的完全放电曲线；(d) HOF-FJU-1-Ru@CNT电池在不同电流密度下的限容放电曲线；(e)倍率能力测试；(f)不同电流密度下的过电位情况；(g)循环过程中的能量效率和极化电压；(h)循环稳定性测试。

图4 (a) XRD谱图；(b) Li 1s的XPS谱图；(c)充放电过程的FTIR谱图；(d-f) HOF-FJU-1-Ru@CNT和(g-i) Ru@CNT充放电过程中的SEM图。

(a) Li⁺TFSI-离子对在不同材料界面的解离能计算；(b) Ru的d带偏移；(c)吸附中间体的优化结构;(d) 在Ru@CNT和HOF-FJU-1-Ru@CNT界面上的反应吉布斯自由能图。

本文要点

要点一：首次将HOF基材料应用于Li-CO₂电池。多孔HOF-FJU-1具有规则排列的孔通道，有利于CO₂和Li⁺的高效运输，从而促进CO₂氧化还原动力学的进行。这项工作拓宽了HOF在储能领域的应用范围。

要点二：含氰基官能团的多孔HOF-FJU-1能诱导放电产物均匀沉积，并能一定程度上缓解充放电过程中的体积膨胀。此外HOF-FJU-1能使钌的d带发生正移，并显著降低碳酸锂形成/分解过程中的反应能垒，形成均匀的高效催化位点。

要点三： HOF-FJU-1的引入有效改善了所制备锂-二氧化碳电池的倍率能力和循环稳定性。基于HOF-FJU-1的Li-CO₂电池能够在400 mA g^-1条件下稳定运行1800小时，即使在5 A g^-1的高电流密度下也能保持1.96 V的低过电位。该工作为开发基于HOF的高性能锂-二氧化碳电池催化剂提供了重要借鉴意义。

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311480

Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202311480

通讯作者简介

程志斌 副教授简介：福建师范大学化学与材料学院副教授，福建省级高层次人才，曾获中国科学院院长优秀奖等荣誉，长期致力于多孔材料的制备及储能系统关键材料的结构设计和性能研究。目前以第一作者及通讯作者身份发表在Adv. Energy Mater.、Angew. Chem.、CCS Chem.、Adv. Funct. Mater.等影响因子大于10的Top期刊论文14篇。以第一发明人申请中国发明专利5项，已获授权3项；担任Polymers等SCI期刊客座编辑，Green Carbon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。

张章静 研究员简介：福建师范大学化学与材料学院研究员，长期从事晶态多孔材料的研究。迄今以第一／通讯作者发表期刊论文50余篇。单篇最高引用601次，论文的SCI总引用频次逾8000次，H指数48。ESI 1%高被引论文11篇。其中近五年来，以通讯作者（含共同通讯）在 Nature Chemistry, Sci. Adv., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊上发表工作。入选福建省百千万人才工程，荣获福建省青年科技奖、福建省运盛青年科技奖，获得福建省杰青及滚动项目等项目资助。

陈邦林 教授简介：欧洲科学院外籍院士，美国科学促进会会士，日本科学促进会会士，英国皇家化学学会会士，无机化学专家。长期从事新型多孔材料的设计及其在气体吸附分离、荧光传感和催化等领域的研究，取得了一系列开创性的研究成果，在国际无机化学领域有着重要的影响。在 Science, Nat. Mater, Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.，Nat. Commun.， Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等顶级学术期刊发表有重要影响论文350余篇及16项专利（转让专利1项），被引用50000余次。