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新兴晶体多孔材料的杂化:合成维度和电化学储能应用

发布时间: 2021-04-16

  近年来,作为晶态多孔材料(CPMs)的两个新兴成员,金属有机骨架(MOFs)和共价有机骨架(COFs)的研究呈现出井喷式的发展。丰富的结构设计和众多功能使它们成为展示能量存储和转换、催化、传感等各种应用的平台。有机材料的多样性和晶体材料的有序度使这两种材料具有许多令人着迷的特性,例如超高的比表面积和丰富的孔结构。近年来,两种材料与其他材料的杂化已成为一种新的研究趋势,两种材料丰富的比表面积和反应位点为杂化提供了无限的可能性。杂化的进行主要出于以下两点考虑:一方面,杂化可以集合并增强各自的优势,形成协同效应。另一方面,可以避免两种材料本身的局限性,如普遍存在的导电性差,加工困难等问题对性能产生不利的影响。将两种材料与其他材料的有目的性地杂化成为一种有效的解决方案。杂化的对象包括但不限于碳基材料,导电聚合物,有机小分子,电解质盐等。这篇综述将从分子水平、微观到宏观杂化三个维度,分层次地介绍多种杂化手段以及杂化效果,并阐明了指导杂化的基本原理和机制。

  总而言之,作者从分子水平、微观和宏观三个维度对CPMs材料的杂化策略和方法进行了综述。结合CPMs在EES中的应用,介绍了杂化的意义和目的。通常,杂化主要涉及自下而上的化学结构演变和自上而下的形貌工程。前者旨在充分利用丰富的无机金属和有机结构单元以及多样化的合成后修饰策略来设计CPMs杂化材料,这些杂化材料在源头上具有多原子、异孔,核–壳结构和其他特征;而后者则针对EES的特定应用,可使用降维的解构方法(例如与2D碳材料杂化),或利用CPMs丰富的孔结构(来增加活性位点的可及性和可用性。这两个方面对于需要大量表面电荷转移和吸附反应以提高性能的可充电电池和电容器领域至关重要。另外,在这些领域中对材料电导率的要求也是杂化的重要驱动力。此外,由于CPMs固有的多孔性和绝缘性,它们在电解质和隔膜领域表现出了优势;CPMs与这些杂化对象的兼容性和优化将是该领域的重要研究方向。
  该文章近期发表在AEM杂志(doi:10.1002/aenm.202100321),文章的作者是华南理工大学张环环博士和日本京都大学姚明水博士,通讯作者为顾成研究员和Susumu Kitagawa教授。该工作得到了日本学术振兴会(JSPS)、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省创新团队基金、中央高校基本科研业务费,“海外高层次引进人才”青年项目的资助。