综述：金属有机框架及其衍生物作为下一代电化学储能材料

《Materials Horizons》：Metal–organic frameworks and derivatives as next-generation materials for electrochemical energy storage

碳中性目标驱动清洁能源解决方案，金属有机框架（MOF）因其可调孔径、高比表面积及多功能性成为下一代电化学储能材料的研究热点。本文系统综述了MOF及衍生物在锂/钠/钾离子电池和金属-硫电池中的应用进展，分析了其结构-性能关系，并探讨了关键挑战与解决方案。MOF材料通过设计策略（如导电基体复合、碳衍生材料构建、单原子催化中心引入）显著提升了电极材料的比容量、循环稳定性及倍率性能。例如，MOF衍生碳材料通过高温热解实现导电网络构建，结合金属活性位点增强催化活性，在锂硫电池中表现出优异的硫负载量和长循环寿命。然而，MOF材料仍面临导电性不足、结构稳定性差及规模化生产成本高等瓶颈。未来需结合原位表征技术、机器学习辅助设计及多尺度建模，开发兼具高离子迁移通道、稳定电子输运网络和优异化学稳定性的MOF基储能材料。

　　金属-有机框架（MOFs）作为下一代电化学储能材料的前景引起了广泛关注。它们具有可调的孔隙率、超高比表面积以及可调的物理化学特性，这些优势使其在锂/钠/钾离子电池、锂/钠/钾-硫电池以及锌离子电池中展现出巨大的应用潜力。尽管在实验室中已经取得了显著进展，但在将这些成果转化为实际应用的过程中仍面临诸多挑战。本文旨在系统性地回顾MOF及其衍生物在储能领域的最新进展，探讨其在电极和隔膜中的应用，并从材料选择和结构设计的角度分析其电化学性能，同时解析其结构-性能-功能之间的关系。最后，本文将重点讨论稳定性、可扩展性和界面工程等核心挑战，并提出应对这些挑战的前瞻性视角，以推动MOF材料在可持续储能技术中的发展。

随着全球对碳中和目标的追求，清洁能源解决方案成为研究热点，而先进的储能材料是实现这一目标的关键。MOFs因其独特的结构特性，如丰富的孔隙结构、可调控的化学组成和高比表面积，被广泛研究。它们不仅在电化学反应中提供大量的活性位点，还能够通过其可调的化学结构和多孔性，优化离子存储和传输过程。然而，MOFs在实际应用中仍存在一些局限性，例如较低的电导率、结构脆弱性以及较高的电解液吸收，这些都会影响其循环稳定性。因此，研究者们提出了多种策略，如引入导电材料、调整MOFs的结构设计以及优化其合成条件，以提升其电化学性能。

在锂离子电池（LIBs）中，MOFs及其衍生物被广泛应用于电极材料和隔膜材料。通过高温碳化处理，MOFs中的有机配体可以转化为具有优异导电性的碳材料，同时金属中心也可以转化为金属化合物，从而形成具有高孔隙率和导电性的复合材料。例如，某些MOF衍生的碳材料能够提供优异的离子传输路径和电子导电性，有效缩短锂离子的扩散距离，提升电池的倍率性能和循环寿命。此外，MOF衍生的复合材料，如掺杂异原子的碳材料和金属化合物复合物，能够在保持原有结构优势的同时，显著增强其导电性和化学稳定性，为锂离子电池的高性能电极材料提供了新思路。

在钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）中，MOFs同样展现出独特的应用潜力。钠和钾离子的较大半径和较低的电化学稳定性使得传统材料难以满足其存储需求。然而，通过MOFs的结构设计，可以有效缓解这些问题。例如，某些MOF材料在高温处理后形成的多孔碳结构能够容纳钠或钾离子，同时其高比表面积和丰富的活性位点有助于提升离子传输效率和电化学反应动力学。此外，MOF衍生的复合材料，如掺杂氮和氧的碳材料，可以增强其导电性，从而提高其在钠和钾离子电池中的性能表现。

在金属-硫电池（如锂-硫电池、钠-硫电池和钾-硫电池）中，MOFs及其衍生物也被广泛研究。硫具有较高的理论容量，但其低导电性和绝缘特性限制了其在电池中的应用。通过MOFs的结构设计和功能化处理，可以有效解决这些问题。例如，某些MOF材料在高温碳化后形成的多孔碳结构能够提供硫的高效吸附和催化反应位点，同时其高比表面积有助于提升离子传输效率。此外，通过引入金属单原子或金属化合物，可以显著增强MOF材料的催化性能，从而提升电池的电化学性能。

在锌离子电池（ZIBs）中，MOFs及其衍生物同样展现出广阔的应用前景。锌离子电池因其高理论容量、成本低廉和安全性高，被认为是下一代储能技术的重要候选者。然而，锌离子的低迁移率和电解液的不稳定性仍然是其应用的主要障碍。通过MOFs的结构设计和功能化处理，可以有效提升其电化学性能。例如，某些MOF衍生的碳材料能够提供高导电性，同时其多孔结构有助于锌离子的快速传输。此外，通过引入导电聚合物或金属化合物，可以进一步优化锌离子电池的电化学性能。

尽管MOFs及其衍生物在储能领域展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，MOFs的导电性较低，限制了其在电化学反应中的效率。其次，MOFs的结构稳定性不足，导致其在循环过程中容易发生塌陷或失活。此外，MOFs的高比表面积可能导致电解液的过度吸收，从而影响其长期循环性能。因此，研究者们提出了多种策略，如引入导电材料、优化MOFs的结构设计以及调整合成条件，以提升其性能。

在应对这些挑战的过程中，MOFs的结构设计和功能化处理成为关键。例如，通过高温碳化和调控MOFs的结构，可以形成具有高导电性和稳定性的碳材料，同时其多孔结构能够有效缓解离子的体积膨胀。此外，MOFs的结构设计还可以通过引入金属单原子或金属化合物，提升其催化性能和电化学反应动力学。这些策略不仅有助于提升MOFs的性能，还为它们在储能领域的应用提供了新的方向。

展望未来，MOFs在储能技术中的应用仍然充满希望。通过结构优化、组成调控以及全面的理论和机制研究，可以进一步提升其性能。同时，大数据和人工智能技术的引入，为MOFs材料的高效筛选和预测性设计提供了新的工具。此外，研究者们还致力于开发成本低、产率高且可扩展的合成方法，以推动MOFs在实际应用中的发展。通过这些努力，MOFs有望成为实现高能效、高稳定性和可持续储能技术的重要材料。