网站首页/有机动态/实验与测试/Chemical Reviews| 双剑合璧:自支撑结构助力MOFs在能源存储和转化领域的高效应用
Chemical Reviews| 双剑合璧:自支撑结构助力MOFs在能源存储和转化领域的高效应用

▲第一作者:贺冰      

通讯作者:张其冲,孙立涛,John Wang,魏磊   

通讯单位:新加坡南洋理工大学  

论文DOI:10.1021/acs.chemrev.1c00978  


01

全文速览


近期,新加坡南洋理工大学魏磊教授、中科院苏州纳米所张其冲研究员、新加坡国立大学John Wang教授和东南大学孙立涛教授等团队合作在国际化学领域顶尖期刊Chemical Reviews发表题为Freestanding Metal-Organic Frameworks and Their Derivatives: An Emerging Platform for Electrochemical Energy Storage and Conversion的综述文章。该综述对自支撑MOFs及其衍生物电极的结构特征和制备策略进行了及时而全面的概述。然后,全面总结自支撑MOFs及其衍生物电极从电化学储能器件到电催化装置的最新进展。最后,基于自支撑MOFs及其衍生物电极的在能量存储与转化的当前发展,我们对其存在的挑战及潜在的解决方案进行展望,为自支撑MOFs及其衍生物电极这一新兴领域的未来发展理论指导。
 
▲图1 综述思路摘要图

02

背景介绍


金属有机框架(MOFs)是一类相对较新的先进多孔材料,由金属离子/团簇和有机连接体通过配位键组装而成,由于其独特的结构多样性、大的比表面积、可调的孔隙率和孔结构以及可控的化学和功能性质而受到了广泛关注。在过去的几十年里,MOFs材料在能源和材料的应用研究是一个热点。尽管取得了重大进展,但这些MOFs及其衍生物材料主要以各种粉末形式存在,添加粘合剂将不可避免地增加内阻,掩埋活性位点,并抑制电荷传输。合理的设计自支撑电极不仅可以简化制造过程,消除额外粘合剂/添加剂产生的不良界面,还可以提供所需的高比表面积、丰富的活性位点和增强的电荷转移效率。因此,自支撑结构和MOFs的组合有望产生许多协同效应,期望在电化学储能与转换中实现优异的电化学性能。因此,自支撑MOFs及其衍生物电极的开发为电化学储能与转换技术带来了新的机遇。
 
03

图文解析


3.1 自支撑MOFs及其衍生物电极
首先,综述总结了自支撑电极相对于传统粉末型电极在结构和物理化学性质方面独特的优势:
(a)避免了无电化学活性添加剂的使用,简化了电极制备流程,并且暴露更多的活性位点;
(b)纳米结构阵列的形成能够有效地抑制纳米结构活性材料的团聚,促进了离子的扩散传输,并且能够更好地容纳因为电化学反应引起的体积变化;
(c)活性材料与导电基底的无缝接触在提高两者结合力的同时能够有效提高电极整体的电子导电性;
(d)相比于传统粉末型电极有限的基底选择,自支撑电极具有更丰富的基底选择,这可以赋予其更丰富的功能性。
然后,结合MOFs及其衍生物本身具有的独特优势,自支撑MOFs及其衍生物电极将会在能源存储和转化领域展现出优异的性能。最后,我们将其分为三类:自支撑MOFs电极、自支撑MOFs混合电极和自支撑MOFs衍生物电极,并总结了它们各自的结构和性能特点,如图2所示。
 
▲图2 自支撑电极与传统粉末型电极的结构与性能对比以及不同类型自支撑MOFs及其衍生物电极的结构与性能对比
 
3.2 自支撑MOFs及其衍生物的设计和制备
自支撑MOFs及其衍生物电极的设计和合成策略能够赋予其预期的结构特点,进而实现理想的电化学性能。因此,在这一部分,我们总结了自支撑MOFs及其衍生物电极的制备策略。首先,自支撑MOFs的制备:(a)直接生长:水/溶剂热法、化学浴沉积和电化学沉积;(b) 模板辅助生长;(c)复合法(Hybridization):静电纺丝、抽滤和3D打印等等;(d)其他制备方法:微接触印刷和 Langmuir-Blodgett 技术。然后,自支撑MOFs衍生物电极的制备:热处理和离子交换。最后,我们分析了各个制备方法的特点并介绍了相关的工作实例,如图3-7所示。
 
▲图3 自支撑MOFs的合成策略

▲图4 自支撑MOFs衍生物的合成策略
 
3.3 自支撑MOFs及其衍生物电极在能源存储中的应用
自支撑MOFs及其衍生物电极具有大的比表面积、高度可调的孔隙度、丰富的活性位点、快速的电子传输和无缝接触等独特的优势,从而在能源存储领域展示出了巨大的潜力。
 
▲图5 自支撑MOFs及其衍生物电极在能源存储应用的时间轴

3.4 自支撑MOFs及其衍生物电极在能源转化中的应用
自支撑MOFs及其衍生物电极在能源转化中展现出明显的优势包括:大的比表面积和有序的孔道结构;可衍生得到多种金属基、碳基、氮基等活性位点的金属簇以及多功能化的有机框架;高的电子导电性从而实现快速反应动力学。
 
▲图6 自支撑MOFs及其衍生物电极在能源转化应用的时间轴

04

总结与展望


尽管现有的综述包含小部分用于能源的自支撑MOFs及其衍生物电极,但到目前为止,仍然缺乏关于用于电化学储能和转换应用的自支撑MOFs及其衍生物电极的最新发展的系统总结。该综述对自支撑MOFs及其衍生物电极的结构特征和制造技术进行了及时而全面的概述。然后,全面总结基于自支撑MOFs及其衍生物电极从电化学储能器件到电催化装置的最新进展。最后,基于自支撑MOF及其衍生物电极的在能量存储与转化的当前发展,我们从精准合成、性能提升、深层次机理、评估标准、工业化制备和潜在的市场等方面对对该领域存在的挑战及潜在的解决方案进行展望,为这一新兴领域的未来发展提供指导。
 
▲图7 自支撑MOFs及其衍生物电极在能源存储与转化中存在的挑战
 
05

作者介绍


张其冲 博士现任中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。2017年于同济大学获得物理学博士学位,2018年至2021年在新加坡南洋理工大学担任研究员,2021年11月入选中国科学院“百人计划”并任职中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。主要从事纤维状水系材料与储能器件、纤维状传感器和多功能集成器件等方面的研究。在Chemical Reviews, Advanced Materials, Materials Science and Engineering: R: Reports, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Advanced Science, Energy Storage Materials等学术期刊发表论文80余篇,H因子37,ESI高被引论文9篇,论文引用3900余次, 编写1部英文专著。

魏磊 博士新加坡南洋理工大学电气与电子工程系副教授。2005年本科毕业于武汉理工大学,2011年博士毕业于丹麦科技大学,2010-2014年在美国麻省理工学院进行博士后研究,2014年加入新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院任南洋助理教授,2019年升任副教授,2018年起任新加坡南洋理工大学光纤技术研究中心主任。主要从事纤维光电子器件、复合材料光纤、智能织物、生物光纤交互和纤维内能量的产生和收集等方面的研究。在Nature、Nature Biotechnology、Nature Photonics、Advanced Materials 和 Nature Communications等学术期刊上发表论文100多篇。主要学术兼职包括The Optical Society (OSA) Singapore Section主席和IEEE Photonics Society Singapore Chapter主席。

原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00978


纳孚服务
  • 化学试剂
  • 提供稀有化学试剂现货

  • 化学试剂定制合成服务
  • 上海纳孚生物科技有限公司提供市场稀缺的化学试剂定制服务

  • 新材料现货
  • 上海纳孚生物科技有限公司代理或自产包含石墨烯产品,类石墨烯产品、碳纳米管、无机纳米材料以及一些高分子聚合物材料

  • 结构设计及定制合成
  • 可以根据客户需求对所需化合物结构进行设计改性,从而定制合成出客户所需分子式结构

  • 联系我们
  • 021-58952328
  • 13125124762
  • info@chemhui.com
  • 关注我们
在线客服
live chat