基于二茂铁的双氧化还原位点金属有机框架材料用于高性能钠离子电池负极

针对钠离子电池(SIB)负极材料容量低、反应动力学慢和循环稳定性差的问题，山东大学团队创新性地设计了一种基于二茂铁(Fc)和镍(Ni)双氧化还原位点的金属有机框架材料(NF-MOF)，通过原位生长在碳布(CC)上构建无粘结剂电极。该NF-MOF@CC负极展现出705 mAh g?1的高可逆容量，与Na3V2(PO4)3或NaNiFeMn2O6正极匹配的全电池循环500次容量保持率达95.3%，为电网级储能提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，电网级储能技术面临成本与性能的双重挑战。钠离子电池(SIB)因钠资源丰富、成本低廉被视为锂离子电池的理想替代品，但其发展长期受限于负极材料性能瓶颈。传统石墨负极理论容量仅35 mAh g^?1，合金材料虽容量高却存在300%以上的体积膨胀，而过渡金属氧化物又面临反应动力学迟缓等问题。更棘手的是，电极中聚合物粘结剂的降解会导致活性物质脱落，严重制约电池循环寿命。

山东大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中，提出了一种革命性的解决方案——将具有氧化还原活性的二茂铁(Ferrocene, Fc)与镍簇(Ni)共同整合到金属有机框架(MOF)中，构建出兼具双氧化还原位点和分级孔隙结构的NF-MOF材料。通过原位水热法将其生长在碳布(Carbon cloth, CC)上，成功制备出无粘结剂一体化电极NF-MOF@CC。

研究团队采用X射线衍射(PXRD)和X射线光电子能谱(XPS)验证材料晶体结构，通过循环伏安法(CV)和恒电流充放电测试电化学性能，结合密度泛函理论(DFT)计算分析钠离子吸附位点。

合成与表征
PXRD证实NF-MOF@CC具有高结晶度，扫描电镜(SEM)显示其均匀覆盖CC纤维形成三维导电网络。XPS揭示Ni²⁺和Fe²⁺的共存状态，为双氧化还原反应奠定基础。

电化学性能
NF-MOF@CC在0.1 A g^?1下展现705 mAh g^?1的高容量，是粉末状NF-MOF的3.9倍。原位电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻仅为粉末电极的1/8。

储能机制
非原位X射线吸收近边结构(XANES)证实Ni⁰/Ni²⁺和Fc/Fc⁺的可逆转化，DFT计算显示Na⁺优先吸附在羧酸氧原子位点，理论容量达712 mAh g^?1。

全电池性能
与Na₃V₂(PO₄)₃正极组装的电池在200次循环后容量保持95.1%，能量密度达310 Wh kg^?1；与NaNiFeMn₂O₆正极匹配的电池经500次循环仍保持95.3%容量。

该研究开创性地将分子级设计的双氧化还原中心引入MOF骨架，通过Fc/Fc⁺与Ni⁰/Ni²⁺的协同作用实现电子/离子的快速传输，分级孔隙结构有效缓冲体积变化。这种"材料-结构"双创新策略为高能量密度、长寿命SIB的开发提供了普适性方案，对推动可再生能源并网具有重要实践意义。研究团队Yujin Mou、Hongyan Yang等通过多学科交叉手段，不仅解决了传统MOF材料导电性差的痛点，更开辟了通过配体设计调控储能性能的新范式。