清华大学张强教授Adv. Mater.：热剥离层状MOF在锂硫电池中的应用

【引言】

因二维纳米碳基材料其表面可控的孔隙结构和具有亲水性，在电化学储能系统（锂硫电池）具有巨大潜力。本文报道了热剥离二维结构的MOF晶体使其变成多层类石墨烯堆叠结构。该系列化合物是由高孔隙的二维片层结构和高极性的孔壁组成。基于该种结构的优势，本系列化合物的亲水多层类石墨烯堆叠结构可以作为锂硫电池的正极模型，并揭开锂电池的表面化学问题。

【成果简介】

目前而言，具有二维类石墨烯/氧化石墨烯结构的纳米碳，由于高纵横比赋予它们优异的理化特征，使其在电化学储能、气体吸附与分离，以及催化领域具有很大的应用。近日，清华大学张强教授在Adv. Mater.上发文，题名“Thermal Exfoliation of Layered Metal–Organic Frameworks into Ultrahydrophilic Graphene Stacks and Their Applications in Li–S Batteries”。在这项工作中，利用铜盐4,4’-联吡啶MOF用以形成二维层状结构。二维结构中通过π-π共轭相互作用，形成[Cu₂Cl₂C₁₀H₈N₂]_n晶体。由于该晶体弱的范德华力容易被热剥离成10 μm左右，纳米尺寸厚度的聚合物晶体。

【图文导读】

图1 MOF前驱体的表征

图a. MOF的XRD与其标准谱图。

图b. 层状MOF以及模型。

图c-e. MOF材料的SEM谱图。

图f. 机械剥离得到的2D MOF。

图g. AFM图像以及其厚度。

图2 UHCS samples材料的表征

图a-b. UHCS‐500的SEM。

图c-d. UHCS‐900的SEM。

图e-f. UHCS‐900的TEM。

图3 UHCS材料的孔径分布以及表面极性表征

图a. UHCS材料与CVD石墨烯的氮气吸附表征。

图b. 亲水型沸石，活性炭，微孔碳和碳纳米管的水蒸气吸附性测试。

图c. 动态接触角测试。

图d. 亲水性碳材料的拉曼光谱。

图e. 亲水性碳材料N 1s的XPS光谱。

图4 极性UHCS和非极性碳纳米管的电性能表征

图a. UHCS作为正极材料的示意图。

图b. 宏观吸附试验。

图c. 交流阻抗图谱。

图d. 亲水性碳的CV图。

图e. 恒电流充放电图。

图f. 1C电流下的循环图。

【小结】

这项工作介绍了一种简单热剥离MOF晶体的方法。利用这种方法制备出了多层类石墨烯，强表面极性，多级微孔和形态均一的结构。当这些极性纳米碳在锂硫电池中作为正极时，多孔极性可以吸引多硫化物，同时确保电子和离子可以自由转移，从而使氧化还原反应能够可逆进行。更重要的是，我们的热剥离方法可用来高效制备强极性纳米碳材料。也可以探索其它二维前驱材料用以合成纳米碳。

文章链接：Thermal Exfoliation of Layered Metal–Organic Frameworks into Ultrahydrophilic Graphene Stacks and Their Applications in Li–S Batteries（Adv. Mater.2017, 10.1002/adma.201702829）

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