高国副研究员团队在制备复合材料增强储锂性能方面取得重要进展

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近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院高国副研究员团队的研究论文“Porous MOF derived TiO2/ZnO/C@CNTs composites for enhancing lithium storage performance”（多孔MOF衍生TiO2/ZnO/C@CNTs 复合材料用于增强储锂性能）在期刊《Chemical Engineering Journal》上发表。该研究报道了一种金属有机框架（MOFs）衍生的多孔TiO2/ZnO/C@CNTs复合材料，通过对其形貌和成份的合理设计，实现了良好的循环性能和倍率性能，显示出用作锂离子电池负极材料的前景。
        金属有机框架(MOFs)材料因为本征的多孔结构、超高的比表面积和大量的活性位点，近年来在锂离子电池负极材料领域有着广泛的研究。但是因为较低的电导率和较差的化学稳定性，MOFs的实际应用受到了严重限制。将MOFs在合适的条件下进行热解，可以获得含有金属氧化物(MO)和碳层的MO/C复合材料，同时保持MOFs的骨架结构，是提升MOFs电化学储锂性能的有效方法之一。
        该研究通过构建双MOFs材料来合成多孔TiO2/ZnO/C@CNTs复合材料，进而优化性能。
        首先，理性设计的双MOFs复合材料，能够将两种MOFs材料的优势充分利用。通过官能团控制将两种MOFs (MIL-125和ZIF-8)异构化，获得均匀的双MOF复合材料MIL-125/ZIF-8。
         其次，使用多壁碳纳米管（CNTs）作为交联剂，防止ZIF-8从复合材料表面脱落，得到MIL-125/ZIF-8@CNTs复合材料。同时，CNTs可以进一步提高材料的导电性、稳定性和孔隙度。
         第三，将MIL-125/ZIF-8@CNTs烧结得到多孔TiO2/ZnO/C@CNTs复合材料（如图1）。MIL-125经热解后转化为TiO2/C, ZIF-8转化为ZnO/C，CNTs包裹在TiO2/ZnO/C表面。分散在材料表面的CNTs不仅可以防止ZIF-8衍生的ZnO在循环过程中从材料表面脱落，而且可以提高复合材料的导电性，增加结构的稳定性，缓解材料在充放电过程中的体积膨胀。烧结过程中由于气体溢出形成了丰富的介孔，丰富的孔洞结构利于电解液的渗入且能容纳充放电过程中的体积变化。由MIL-125衍生的TiO2具有良好的循环稳定性，由ZIF-8衍生的ZnO具有较高的比容量，复合材料因而具有良好的综合性能。

图1 TiO2/ZnO/C@CNTs复合材料的SEM图片

         电化学测试表明，制备的多孔TiO2/ZnO/C@CNTs具有良好的储锂性能。显示出良好的循环性能和倍率性能：在100 mAg−1电流密度下，100次循环后的容量为816.8 mAg−1，即使在2 Ag−1的高电流密度下经过500次循环后，容量仍然可以达到800 mAhg−1以上。


        论文信息
        上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士生程晖和徐桂英为论文的共同第一作者，高国副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(81671737)和上海交通大学交叉学科项目（YG2021QN102, YG2021QN65, YG2019QNB31）的资助。
         论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140454
         文章来源：上海交通大学
           高国，工学博士，副研究员、硕士生导师(2011-至今)，上海交通大学“薄膜与微细技术教育部重点实验室”教师，SMC晨星优秀青年教师（B类，2013-至今）。主要从事纳米材料的可控制备、化学修饰、工艺放大、生物学、能源存储与转换等应用研究工作。近年来主持/参与国家自然科学基金项目、973项目、863项目和仪器重大专项等项目研究工作，现为Nanoscale, Crystal Growth&Design, CrystEngComm, Corrosion Science和 Journal of The Electrochemical Society等刊物审稿人。