Small 观点：厚度可控的合成紧凑均匀的MOF保护层，以实现85%的锌利用率

厚度控制地合成紧凑均匀的MOF保护层，以实现85%的锌利用率

第一作者：向阳

通讯作者：徐茂文*，张漩*

单位：西南大学，浙江大学

基于水锌离子电池（AZIBs）的锌金属阳极因其高理论容量（820 mA hg⁻¹）、低氧化还原电位、低成本、高安全性，在大规模储能和可穿戴设备方面引起了人们的广泛兴趣。不幸的是，锌阳极遇到了许多棘手的问题，如枝晶的形成、寄生析氢反应（HER）和不可避免的化学腐蚀，严重限制了其实际应用。近年来，金属有机框架（MOFs）因其丰富的孔隙、规则的孔径和高表面积而广泛应用于能源和环境领域。在AZIBs领域，它们被用作调节锌离子的扩散、成核和沉积，以实现高度可逆的无树枝状形态的镀锌/剥离。虽然以往这些策略取得了巨大的成功，但他们的方法也存在一定的局限性。例如，普通的刮刀法引入的粘合剂会阻碍MOF的孔径，以及很难获得厚度小于1 μm的均匀高质量的MOF薄膜。此外，越来越多的研究报道，纳米级MOF薄膜（如ZIF-8、ZIF-7、ZIF-67）在水溶液或水溶液中不稳定，这一直被研究者所忽视。例，张等人观察到ZIF-8晶体和膜在室温下溶解到水中；并发现了与ZIF-8不同的水解杂质晶体结构。因此，在基于水电解质的锌离子电池中，MOF膜是否稳定是值得讨论的。

近日，来自浙江大学的张漩研究员与西南大学的徐茂文教授合作，在国际知名期刊small上发表题为“Thickness-Controlled Synthesis of Compact and Uniform MOF Protective Layer for Zinc Anode to Achieve 85% Zinc Utilization”的观点文章，并入选Editor’s Choice。该观点文章报道了一种可规模化，绿色环保，无需粘结剂的预氧化物气体沉积（POGD）方法，在锌箔表面原位构建了均匀、致密的MOF薄膜。通过调整沉积体系中水分子的分压，得到了超薄均匀的ZIF-8涂层（150-600nm）。通过系统的研究，成功地建立了不同厚度的MOF保护层对锌负极表面耐腐蚀、抑制析氢和枝晶性能的影响。通过系统研究发现，厚度过于薄的MOF保护层会在水中脱落，进一步加速了阳极的腐蚀。当MOF层厚度大于600 nm时，可以有效防止腐蚀、枝晶和析氢。基于Zn@MOF阳极的锌离子电池表现出1100小时的寿命。即使面积容量为50mAh cm⁻²（锌利用率为85%）下，也能持续循环大于100 h。

一、本文报道了一种可规模化，绿色环保，无需粘结剂的预氧化物气体沉积（POGD）方法，在锌箔表面原位构建了均匀、高质量的MOF薄膜，且MOF层的厚度可以通过调整水分子的分压精准调控。

二、本文提出MOF层的厚度是影响其锌负极保护层的性能的因素之一，由于大多数MOF在弱酸性环境下不稳定，易变形，因此，超薄MOF层的分解产物反而会加速锌负极的腐蚀，且不能抑制锌枝晶的生长，本文发现MOF层的厚度达到600nm左右的临界值，可以起到很好的保护作用。

三、这种“临界值”厚度的MOF层，既不影响锌离子传导，又不会在电解液中脱落，能很好的抑制锌负极表面的副反应，且MOF层可以均匀锌负极表面的电场强度，从而很好地抑制锌枝晶。

四、超高的锌利用率以及优异的循环寿命：基于“临界值”厚度的MOF层的锌负极展现出85%的锌利用率，1100小时的循环寿命，这促进了锌箔阳极的应用过程。

Thickness-controlled synthesis of compact and uniform MOF protective layer for Zinc anode to achieve 85% zinc utilization”

徐茂文 教授简介：2008年博士毕业于兰州大学。2010年至2013年在德克萨斯大学奥斯汀分校的John B. Goodenough教授小组担任博士后。现为西南大学材料与能源学院院长。目前以通讯作者身份在Nature Communications., Chem., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy. Mater., 等学术刊物上发表多篇研究论文。累计发表SCI英文论文260余篇，引用超过1万次，H因子大于50。他目前的研究重点是钠离子电池、锂/钠硫/锌离子电池和固态电池电极材料的设计和合成。

张漩 研究员简介：张漩于荷语鲁汶大学(KU Leuven)材料工程系获得博士学位。现在浙江大学杭州国际科创中心任职研究员，兼聘于浙江大学材料科学与工程学院。近年来张漩研究员长期坚持致力于从事电沉积相关研究，并以此为基础涉及电催化、电化学储能器件、纳滤膜、金属有机框架化合物（MOFs）薄膜和纳米材料合成等方面的研究工作。目前为止，以第一作者或通讯作者身份发表在Matter, Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci. ACS Mater. Lett. Nano Energy, Energy Stor. Mater.等期刊发表论文30余篇，其中5篇入选“ESI高被引论文”。总共发表SCI论文60余篇。课题组学术氛围浓厚,师生关系融洽,课题组经费充足、仪器设备齐全, 实验室环境优良，现有博士后，科研助理，助理研究员等多个岗位空缺，欢迎感兴趣的同学加入（重点招收方向：MOFs, 电沉积, 电化学合成和电池隔膜等相关方向）。邮箱：xuanzhangzju@zju.edu.cn。

向阳，西南大学材料与能源学院，2021级硕士生，主要研究方向是MOF材料在水系锌离子电池/锂离子电池的研究和应用

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