生物质衍生碳-金属有机框架（C-MOF）阳极的优化碳化及其在钠离子电池中的长循环稳定性研究

本文报道了一种以改性锯末为前驱体合成的生物质衍生碳-金属有机框架（C-MOF）材料，通过1000°C热解和7.5% MIL-100(Fe)催化剂优化，获得312 m2 g-1高比表面积和28 S cm-1导电性。该材料在25 mA g-1下展现348.5 mAh g-1放电容量，600次循环后仍保持优异稳定性，其多孔结构促进Na+高效嵌入/脱嵌，为可持续钠离子电池（SIB）阳极提供新策略。

　　

1 引言

全球能源转型背景下，钠离子电池（SIB）因钠资源丰富和低成本成为锂离子电池（LIB）替代品。然而，钠离子较大的离子半径（1.02 ?）和负电化学电位（-2.71 V vs. SHE）导致传统石墨阳极性能不佳（仅35 mAh g^-1）。本研究创新性地将铁基金属有机框架MIL-100(Fe)催化剂与氧化纤维素结合，通过催化石墨化制备高性能碳-金属有机框架（C-MOF）阳极材料。

2 实验方法

材料合成：以云杉锯末为原料，经TEMPO氧化引入羧基后与MIL-100(Fe)复合，在氮气氛围下分阶段热解（500-1000°C）。表征技术：采用HRTEM观察到1000°C处理的C-MOF-7.5%呈现洋葱状石墨微晶（图1），BET测试显示其比表面积达312 m² g^-1（表1）。拉曼光谱中I_D/I_G=0.94（图3a），证实高度石墨化。

3 结果与讨论

催化石墨化机制：TG-MS分析揭示MIL-100(Fe)在热解中逐步转化为Fe₃O₄→Fe→Fe₃C（图5），通过溶解-沉淀路径促进无定形碳向石墨结构转化（图6）。电化学性能：C-MOF-7.5%在25 mA g^-1首圈放电容量达348.5 mAh g^-1，虽首效仅24%（因高表面积导致SEI增厚），但600次循环后容量保持71 mAh g^-1（图7b）。阻抗谱显示其有限长度沃伯格扩散特性（图7d），表明多孔结构有效缓解钠离子阻塞。

4 结论

该研究开发的C-MOF材料通过精准调控催化剂浓度和热解温度，实现了高石墨化度与多级孔结构的协同，为SIB阳极提供了兼具高容量（>300 mAh g^-1）和超长循环稳定性（600次）的可持续解决方案，推动生物质废料在储能领域的高值化应用。