AFM: 对苯二甲酸 MOF 纳米片的电化学重构之旅：迈向高容量锂电池之路

研究背景：MOF 材料在电化学储能领域应用受限，多数作为制备无机电极的模板，少数稳定 MOF 虽可直接作电极，但比容量有限。本文旨在开发新的 MOF 储能类别，利用不稳定 MOF 在电化学过程中的解离，构建不依赖 MOF 孔结构的活性中心与离子传输路径。

实验与表征：采用液相超声辅助法制备对苯二甲酸 MOF 纳米片，通过理论计算、多种微观表征技术及电化学测试，对其结构、性能及电化学行为进行全面研究。

结果与讨论

热力学相互作用：理论计算表明，对苯二甲酸 MOF 向 Li/M - BDC 的转变在热力学上可行，生成的对苯二甲酸锂可作为额外离子传导介质，为构建无机 - 有机混合电极提供可能。

结构与形貌演变：制备的 10Ni90Co - BDC 等 MOF 纳米片呈卷曲超薄片状，厚度 1 - 5nm，具有单晶结构，元素分布均匀。FTIR、Raman 等表征确认了配体与金属离子的配位，材料具有一定热稳定性及较低 BET 比表面积。

电化学性能：10Ni90Co - BDC 纳米片在 Li 存储中展现优异性能，在 0.1A g⁻¹ 时比容量达 1582.4mAh g⁻¹ ，且在高电流密度下比容量高于低电流密度，存在 “循环爬升” 现象。CV 测试显示，随着循环进行，电极极化改善，存储过程从表面电容控制逐渐向扩散控制转变，产生更多活性位点。

电化学重构：原位 XRD、Raman 及 XPS 等表征揭示，首次锂化 / 脱锂循环中，10Ni90Co - BDC 纳米片发生组分重构，MOF 长程有序结构丧失转变为无定形，金属节点和 BDC 配体分别转化为金属氧化物和对苯二甲酸锂。同时，电极结构重构，形成多孔 “李子布丁” 状结构，缩短离子传输路径，提升离子电导率。这种独特结构及组分变化使电极具备高比容量、倍率性能和循环稳定性，其性能优于锂化对苯二甲酸与金属氧化物的混合物及其他相关材料。

研究结论：对苯二甲酸 MOF 纳米片在锂化 / 脱锂过程中发生不可逆非晶化，伴随组分和结构重构，形成的多孔 “李子布丁” 状结构及生成的金属氧化物和对苯二甲酸锂协同作用，使 NiCo - BDC 纳米片电极展现出高比容量、倍率性能和循环稳定性，为 MOF 电极设计提供了新方向 。

图文简介

转化反应的吉布斯自由能变( ΔG )值

超薄金属 - 有机框架（MOF）纳米片合成路线示意图；10Ni90Co - BDC 纳米片的 b）透射电子显微镜（TEM）图像、c）选区电子衍射（SAED）图像、d）原子力显微镜（AFM）图像以及 e）能谱（EDX）元素分布图 。

10Ni90Co - BDC 电极首次充放电循环后的相应原位 X 射线衍射图谱（图 a），以及原位拉曼光谱（图 b、c）；10Ni90Co - BDC 电极在不同状态下的非原位 X 射线光电子能谱（XPS）图：d）C 1s、e）O 1s 和 f）Co 2p；首次锂化 / 脱锂循环后，g）Co K 边 X 射线吸收近边结构（XANES）光谱，以及 h）在 R 空间中选定状态下 Co K 边 k³ 加权傅里叶变换扩展 X 射线吸收精细结构（FT - EXAFS）光谱拟合。

图解表征了锂化/去锂化处理触发的NiCo - BDC纳米片的电化学重构机制。

论文信息

通讯作者： Jiewu Cui, Dongbo Yu, Shuhui Sun, Yucheng Wu