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| 南航何建平/王涛/薛海荣:金属/共价有机框架材料助力金属空气电池突破 |
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2023年2月1日，南京航空航天大学何建平教授、王涛副教授、薛海荣研究员在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2791-0091)发表题为“Application of metal-organic frameworks, covalent organic frameworks and their derivates for the metal-air batteries”的综述文章，该综述全面介绍了MOFs、COFs及其衍生物在金属-空气电池应用的最新研究进展。
图1.以MOFs、COFs及其衍生物为催化剂的金属-空气电池的最新进展
金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）作为一类新型多孔材料，因其具有超高的比表面积、孔隙率、开放的孔通道以及在分子水平上的可调控性，在气体吸附/分离与催化领域展现出良好的应用潜力和机遇。
MOFs和COFs独特的结构可以实现高效的气体吸附/分离、提供目标分子快速传导通道以及通过分子微调实现结构功能化以优化吸附和催化能力的灵活性。
迄今为止，基于MOFs、COFs及其衍生物设计了许多用于金属-空气电池中O2还原/析出反应（ORR/OER）和CO2还原/析出反应（CO2RR/CO2ER）的高效电催化剂（图1）。
图2. MOFs和COFs的典型结构
何建平教授课题组总结了将MOFs、COFs及其衍生物应用在高能量密度金属-空气电池中的最新研究进展：
1）作者首先概述了MOFs和COFs材料的发展历程（图2），以及金属-空气电池的放电和充电的工作原理。
2）作者接下来总结和讨论了MOFs和COFs材料在金属-空气电池的性能评价以及催化原理方面的进展（图3）。金属-空气电池主要包括金属负极（Li，Zn，Na和Al等）和气体正极（O2和CO2）。
图3. MOFs和COFs在金属-空气电池中的首次应用
近年来，MOFs和COFs在金属空气电池中的研究呈指数级增长。一方面，它们的功能性多孔壁能对CO2和O2产生很强的吸附。另一方面，在催化位点附近的高吸附能可以显著提高催化效率。MOFs和COFs的孔径既要满足气体、电解质和中间组分的快速输送，又要满足吸附位点和催化位点之间距离不能太远的要求。因此，应选择不同的配体来优化孔径以提高催化效率。
此外，MOFs和COFs独特的分子结构使其在保证催化位点分布均匀的同时保持较高的孔隙率，这与其他具有孔隙结构的材料不同。虽然MOFs和COFs都是具有广阔应用前景的结晶多孔材料，但它们各自固有的局限性在一定程度上限制了它们的应用。MOFs在电化学中的应用受到其固有的导电性差和相对不稳定的配位键结构的限制。COFs的局限性在于没有金属节点，功能相对简单，催化性能有待进一步提高。
最后，作者对COFs和MOFs在储能和转换领域的应用提出了看法，包括：
1）系统研究有机配体与催化活性中心之间的关系，开发和优化更合适的MOFs和COFs类催化剂；
2）设计出高热稳定和化学稳定性，同时具有高导电性的MOF-COF杂化材料，应用于储能领域；
3）原位表征技术和理论技术的结合揭示电池的工作原理。
4）MOFs和COFs在其他金属-空气电池系统，如Mg-空气、K-空气、Fe-空气和Li-N2电池中具有应用前景。
论文信息：
Xu Y, Xue H, Li X, et al. Application of metal-organic frameworks, covalent organic frameworks and their derivates for the metal-air batteries. Nano Research Energy, 2023,https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120052
doi:10.26599/NRE.2023.9120052
Nano Research Energy是Nano Research姊妹刊，(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网:https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2025年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。
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