有机金属骨架材料在电化学储能领域中的研究进展

金属有机骨架材料（MOFs）由于其高比表面积、可调孔结构以及多样的组成等引起了学者们的极大关注,尤其在电化学储能领域取得了较大的研究进展。本文综述了近几年MOFs基材料在锂硫电池、锂离子电池和超级电容器等电化学储能领域中的应用。详细介绍了MOFs及其复合材料作为锂硫电池正极载体时与活性物质的作用机理,探讨了MOFs对活性物质硫的物理封装和化学配位作用。此外,阐述了MOFs衍生碳材料因独特孔结构、较强导电性和丰富活性位点等作为电极材料时对电池性能的提升。最后对MOFs基材料在电化学储能中的研究前景作出了展望,指出MOFs基材料中杂原子比例的控制和孔道设计是未来研究的重点。     

金属有机框架衍生的0维材料在超级电容器中的应用

金属-有机框架( metal-organic frameworks，MOFs)衍生的0维材料，具有比表面积大、孔隙率高、孔径可调等特点，近年来广泛用于锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能器件中。电极材料是决定超级电容器电化学性能的关键因素。MOFs衍生的0维材料在超级电容器中的应用具有广阔的前景。综述了MOFs衍生的0维材料在超级电容器中的研究进展，探讨了目前在该领域中存在的问题，并对其未来的发展前景进行了展望。     

高性能碳基储能材料的设计、合成与应用

电化学储能器件的性能很大程度上决定于其电极材料。碳材料具有来源广泛、化学稳定性好、易于调控、环境友好等优点，被广泛应用于各类能量存储系统，但仍存在能量密度低、倍率性能差等问题。本文从碳材料孔结构调控、杂原子掺杂、与金属氧化物复合三个角度，综述了构建高性能碳基储能材料的设计合成策略，介绍了其在锂/钠离子二次电池、超级电容器等领域的研究进展，对几种方法策略的优缺点进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。本文对高性能碳基储能电极材料的设计开发具有积极意义。     

Co–MOFs纳米片/碳布复合材料的制备及在锂离子电池中的应用

采用液相沉积法在导电碳布表面原位生长Co–MOFs纳米片,制得了Co–MOFs/CF复合材料。通过红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、恒流充放电、循环伏安、电化学阻抗等手段对材料的组成、结构形貌和电化学性能进行了表征。结果表明:当用作无黏结剂型锂离子电池电极时,在50 mA/g电流密度下,Co–MOFs/CF的首次放电比容量为1 621.3 mA·h/g,100次循环后,其放电比容量仍可达445.1 mA·h/g。相比于纯Co–MOFs,Co–MOFs/CF的首次Coulomb效率和循环性能均有明显改善,主要归因于Co–MOFs的二维片状结构与碳布良好导电性之间的协同作用,Co–MOFs/CF优异的电化学性能使其成为很好的锂离子电池电极候选材料。     

纳米MOFs及其衍生物在超级电容器中的研究进展

金属有机框架（MOFs）材料因其大的比表面积、可调控的孔道结构和丰富的活性位点引起了国内外学者们的广泛关注。近年来MOFs基材料广泛应用于能量储存与转化领域,但大多数MOFs基材料的低稳定性和低导电性等缺陷限制了其实际应用。通过对MOFs基材料进行改性,如采用共轭度高的有机配体以增加MOFs材料的稳定性,或MOFs衍生物以提高其氧化还原活性位点和导电性,从而达到提高MOFs基电极材料的电化学性能。主要介绍了原始MOFs及其衍生材料如碳材料、金属氧化物、金属硫化物、金属氢氧化物和金属磷化物等在超级电容器电极材料中的最新研究进展。研究表明,多金属MOFs材料或多金属MOFs衍生物有利于提高电极材料的电化学性能,而导电MOFs材料或MOFs衍生物中的碳材料有利于提高电极材料的导电性。最后对MOFs基电极材料在电化学储能领域中的研究做出了展望,指出MOFs基材料的形貌、组分和导电性是未来研究的发展方向。     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

MOFs基材料在超级电容器中的应用

金属有机骨架材料（MOFs）多样的组成与结构、高的比表面积和丰富的孔结构等优势,使其逐渐成为高性能电化学储能与转换电极材料研究的热点之一。本文主要介绍了MOFs在超级电容器中的应用研究,阐述了MOFs自身及其复合材料和衍生物（多孔碳、金属硫化物及氧化物）在超级电容器材料应用领域的研究进展,讨论了MOFs基超级电容器的结构特征及其在电化学储能领域中展现出特殊的性质和新颖的功能,提出了MOFs构筑的超级电容器在新能源储存与转换领域发挥的重要作用,最后对MOFs基超级电容器自身结构稳定性差、导电率偏低及其实际应用受限进行了分析。     

低温等离子体在电化学储能器件表面修饰的应用

面对日益严峻的能源危机和环境污染，人类社会需减少化石燃料使用，发展新能源。以锂离子电池为代表的二次电池作为新能源存储设备在生活中得到了广泛应用。然而，在充放电过程中，以电极材料为代表的电化学储能器件面临体积膨胀、活性物质溶解等问题，影响二次电池的电容量和安全性。对电化学储能器件进行合理的表面修饰是改善上述问题的关键。等离子体具有高活性，可以有效抑制电极材料表面活性物质溶解、避免副反应的发生，提高二次电池的循环寿命和放电容量。本工作对等离子体技术，特别是低温等离子体进行了介绍，并总结了低温等离子体技术在电化学储能器件表面修饰中的最新进展，重点介绍了其在先进电极材料表面的应用，最后讨论了等离子体方法优点，并对其未来面临的挑战和应用进行了展望。     

钾离子电池关键负极材料研究进展

钾离子电池作为可持续新型储能技术的代表之一,在储能领域展现出了巨大的发展潜力,但是目前钾离子电池电极材料的研究仍处于初级阶段。本文从钾离子电池负极材料的角度出发,综述了不同类型负极材料的储能机制,并分析了其比容量、倍率性能、循环稳定性等的影响因素及改性方法,并对钾离子电池负极材料的发展方向进行了展望。     

全钒液流电池关键材料研究进展

全钒液流电池是一种新型高效电能转化与储存装置。由于其电池输出功率与储能容量彼此独立,适用于风能、太阳能等可再生能源发电过程和电网调峰过程作为规模化储能装置使用。本文在介绍全钒液流电池原理基础上,重点围绕电池过程的关键材料展开讨论,包括电极材料的种类、各自特点与电极改性方法;电池隔膜材料的筛选结果、材料改性方法等国内外研究进展。     

金属有机框架材料的绿色合成

金属有机框架化合物（Metal-organic frameworks,简称MOFs）是由金属离子（或簇）与有机配体配位并经由自组装而形成的一类多孔材料^[1]。MOFs具有极其发达的孔道结构,比表面积和孔容远超其他多孔材料。有机/无机杂化这一特点也赋予了MOFs其他材料（例如沸石、活性炭等）所不具备的无限结构功能可调性^[2]。此外,MOFs具有移除客体分子而主体框架完好保持的持久孔道或孔穴,这使得MOFs具有超乎寻常的化学及物理稳定性。正是基于以上这些特点,MOFs在许多领域有着丰富的应用^[3-4],例如催化^[5]、H₂储存^[6]、CO₂捕集^[7]、药物运输^[8]、污染物吸附^[9]、生物医学成像^[10]等方面。MOFs的商业化探索成为了目前的热点。MOFs的很多应用都与可持续发展及“绿色材料”有关,但MOFs本身的合成过程也需要考虑可持续性和环境影响。金属有机化学所面临的环境挑战是独特的,因为它将金属离子、有机配体的危害联系在一起,且合成过程大多需要大量能耗。主要介绍了金属有机框架材料的绿色可持续合成,主要分为4个方面：1）使用更安全或生物相容性的配体;2）使用更绿色、低成本的金属源;3）绿色溶剂的开发;4）无溶剂合成法。     

炭化叶脉网络生长MOFs材料制备透明超级电容器

可穿戴和便携式电子设备迫切需要发展透明超级电容器等电化学储能器件。炭化树叶叶脉由连续的碳纤维网络构成,具有非常好的透明性,且兼具导电性好和质量轻的优点。本文以炭化菩提树叶叶脉网络为集流体,通过溶剂热法在其上原位生长了Ni/Co混合金属-有机框架材料（Ni/Co-MOF）。炭化叶脉的连续碳纤维网络有利于电子连续传输及电解液的输运;Ni/Co-MOF中混合金属中心有利于提供更多的电化学位点存储电荷。所制备的炭化叶脉网络@Ni/Co-MOF透明电极在1mA/cm²电流密度下表现出1.15F/cm²的高面积容量,经过1000次循环后,容量保持率为105.4%,仍具有良好的循环稳定性。以炭化叶脉网络@Ni/Co-MOF和炭化叶脉网络@活性炭组装成非对称透明超级电容器,在1.6V的大电势窗口、1mA/cm²的电流密度下,得到的面积容量为0.47F/cm²、面积能量密度为0.61W·h/cm²;并具有良好的循环稳定性,在循环300圈后,容量保持率为93.6%。炭化叶脉网络@MOF材料的方法将为制备透明功能器件如传感器、光电器件、太阳电池和锂离子电池等应用提供了新途径。     

金属有机骨架材料吸附去除环境污染物的进展

金属有机骨架材料(MOFs)具有超高的比表面积、较高且可调的孔隙率、结构组成多样性、开放的金属位点和化学可修饰等优点,近年来在选择性吸附领域中的应用受到人们的广泛关注。本文综述了MOFs在液相吸附去除各种环境污染物方面的应用进展,包括吸附去除水中的有机污染物、重金属离子以及吸附去除燃油中的有机含硫化合物和有机含氮化合物;讨论了不同MOFs及改性MOFs对环境污染物的吸附性能及吸附机理,指出MOFs的孔结构、开放的金属位点、静电吸附作用、π-π键合作用、氢键作用、酸碱吸附作用等是影响MOFs吸附过程的重要参数或机理,而通过对MOFs进行有目的的功能化改性可以提升MOFs对目标污染物的吸附性能;最后展望了MOFs吸附去除环境污染物今后的研究热点。     

二维金属有机骨架材料制备技术的研究进展

金属有机骨架（MOFs）材料是一种由金属离子或团簇通过配位键与有机配体自组装形成的有机-无机杂化多孔材料。二维MOFs材料具有比表面积大、孔隙率高、孔结构可调、电子传递能力强以及活性位点直接暴露在二维平面上等独特优点,这使得它们在气体吸附、催化、储能及传感等多个领域均有很好的应用前景。随着二维材料的迅速发展,越来越多的新型二维MOFs材料被合成制备出来。结合近几年国内外研究现状,综述了界面生长法、表面活性剂辅助法和剥离法等3种二维MOFs材料的制备方法,分析了各种方法的优点和不足之处,并对其未来的发展进行了展望。今后,开发一种成本低、产率高、易于工业化生产且环境友好的二维MOFs材料制备技术将是该研究领域的重点发展方向。     

Comparative study on surface behaviors of copper current collector in electrolyte for lithium-ion batteries

The chemical and electrochemical stability of Cu current collectors in electrolyte for lithium-ion batteries is investigated. During long-term storage, the surface section of Cu foil is oxidized to copper compounds along with the reduction reaction of electrolyte. A continuous surface film can be formed on the Cu current collector after the foil is immersed in electrolyte for lithium ion batteries at room temperature for 30 days. This surface film is composed of inorganic compounds located in the inner layer and organic/inorganic mixed components stayed outside. It comes from the spontaneous reaction at the interface between Cu foil and electrolyte for the existence of trace water in electrolyte. Different from SEI film spontaneous formation during storage, surface film generated on Cu foil during electrochemical process shows different characteristic and mechanism. By using metal lithium as counter electrode, SEI film on Cu foil in Cu foil/metal Li battery is formed from surface chemical species floating from lithium counter electrode and electrochemical oxidation/reduction process. In contrast, thinner SEI film can be generated merely from electrochemical electrolyte decomposition and precipitation. All the evidences reveal that the structure of SEI film from different conditions is similar, which shows inorganic fluorides located in the inner layer and organic/inorganic mixed lied in the outer layer.     

Hydrogen Storage in Metal-Organic Frameworks

Recent decades have witnessed the explosive emergence of metal organic frameworks (MOFs) as functional ultrahigh surface area materials. Categorized as an intriguing class of hybrid materials, MOFs exhibit infinite crystalline lattices with inorganic vertices and molecular-scale organic linkers. Fortunately, the large internal surface areas and overall pore volumes, adjustable pore sizes, ultralow densities, and tunable framework–adsorbate interaction by ligand functionalization and metal choice, enable MOFs to be promising materials for wide applications. In particular, these remarkable properties render MOFs potential hydrogen storage materials. By virtue of their exceptionally high surface areas, unparalleled tenability and structural diversity, MOFs have become a hotspot of research within the scientific community. This paper reviews the different methods used for the synthesis of MOFs, the relationship between structural features and hydrogen adsorption, the strategies for hydrogen uptake improvement as well as the molecular simulation.     

锂离子在三维骨架复合锂金属负极中的沉积规律

锂金属具有极高的理论比容量和极低的氧化还原电极电势，成为了新一代高比能二次电池最理想的负极材料。然而，锂金属负极其走向大规模应用仍存在诸多问题与挑战。三维骨架复合负极可以控制金属锂均匀形核，低电流密度下均匀沉积，有望推动锂金属负极的实用化。为了更高效地指导锂金属负极设计和优化，采用相场理论，对三维骨架锂金属负极中比表面积对金属锂沉积过程的作用机制进行了定量分析和探究，发现了比表面积调控金属锂沉积的两阶段作用机理，并提出了基于比表面积参数的三维骨架负极设计与优化方向，从而最大程度发挥三维骨架在调控稳定金属锂负极上的积极作用。