纳米花状金属有机框架CJLU-1通过限域与配位效应构建锌阳极双功能界面层

为解决水系锌离子电池（AZIBs）中锌枝晶生长和副反应问题，研究人员开发了纳米花状锆基MOF材料CJLU-1作为双功能界面层。该材料通过孔隙限域效应调控Zn2+传输，并利用-COOH基团促进[Zn(H2O)6]2+脱溶剂化，使Zn@CJLU-1||MnO2电池在1 A g-1下循环1000次后容量保持率达85.9%，为无枝晶阳极设计提供新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，水系锌离子电池（AZIBs）因其高理论容量（820 mAh g^-1）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）和环境友好特性成为研究热点。然而，锌阳极在循环过程中面临的枝晶生长和副反应（如析氢和腐蚀）严重制约其实际应用。传统解决方案如聚合物涂层存在机械性能退化问题，而贵金属改性则成本高昂。这些挑战亟需开发兼具高效能、低成本的新型界面材料。

针对这一需求，来自长春理工大学（Changchun University of Science and Technology）的研究团队设计了一种纳米花状锆基金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）CJLU-1，通过独特的孔隙结构和表面官能团协同作用，实现了锌阳极的双重保护。该成果发表于《Sustainable Chemistry for Energy Materials》，为AZIBs的界面工程提供了创新性解决方案。

研究团队采用水热法合成CJLU-1，通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）确认其纳米花状形貌和化学组成；利用电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）分析离子传输行为；结合激光共聚焦显微镜（LSCM）和循环性能测试评估实际应用效果。

【材料设计与表征】
CJLU-1以Zr₆(μ₃-O)₄(μ₃-OH)₄为节点，通过三羧酸配体构建二维层状结构（比表面积665.9 m² g^-1，孔径4.01 nm）。FT-IR和XPS证实其表面富含-COOH基团，与Zn²⁺的强相互作用使[Zn(H₂O)₆]²⁺脱溶剂化能降低36 mV。

【电化学性能】
在对称电池测试中，Zn@CJLU-1在2 mA cm^-2下稳定循环500小时，极化电压（58 mV）仅为裸锌的1/3。全电池测试显示，Zn@CJLU-1||MnO₂在1 A g^-1循环1000次后容量保持146.7 mAh g^-1，较对照组提升29.3%。LSCM三维成像证实改性阳极表面粗糙度降低80%。

【作用机制】
研究揭示双重保护机制：① 介孔通道的限域效应使Zn²⁺通量均匀分布；② -COOH与Zn²⁺配位加速脱溶剂化，抑制枝晶成核。SEM显示循环后裸锌表面产生微米级枝晶，而Zn@CJLU-1保持平整形貌。

该研究通过分子设计实现界面功能的精准调控，为解决AZIBs的寿命瓶颈提供了新策略。CJLU-1的低成本水热合成路线（材料成本<$5 g^-1）兼具工业化潜力，其设计理念可拓展至其他金属电池体系。未来研究可进一步探索MOF孔径与离子传输动力学的构效关系，推动高性能储能器件发展。