二维导电金属有机框架中的顺序Zn2+-H+存储技术用于先进的水系锌离子电池

《Chem》：Sequential Zn2+-H+ storage in a 2D conductive metal-organic framework for advanced aqueous zinc-ion battery

　　

整体概述

电网级能量存储是实现碳中和能源体系的基石，但现有电池技术的成本、安全性和性能限制制约了其应用发展。水系锌离子电池因其采用地球上储量丰富的元素以及不可燃电解质，被视为极具潜力的替代方案，然而由于缺乏既能实现高能量密度又能具备快速充放电能力的正极材料，其实际应用仍面临阻碍。本研究通过展示如何在导电金属有机框架中通过分子级设计来改变离子存储机制，从而解决了这一瓶颈问题。

该研究指出，通过在二维晶体框架中实现Zn²⁺和H⁺的依次嵌入，可使多种电荷载体协同而非竞争地发挥作用。更重要的是，研究发现在将质子的氧化还原活性与Zn²⁺存储在能量和空间上分离后，原本因界面副反应而被视为有害的质子参与过程反而可以变得可逆且有益。这一发现将水系电池中质子的作用从不可避免的副效应转变为可调控的设计要素。

除了本研究涉及的特定体系外，这一成果还为解决多孔电极材料中容量与动力学之间长期存在的矛盾提供了通用策略。导电金属有机框架提供了一个独特的模块化平台，可在分子层面独立调控其氧化还原中心、孔结构以及电子结构。短期内，这种方法能为开发适用于固定式能量存储的高性能水系锌离子电池正极提供可行路径；从长远来看，则为设计能够利用协同离子化学特性的多功能电极创造了可能，进而影响众多对可持续能源系统至关重要的水系及多价离子电池技术。

要点总结

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悬挂胺结构可实现导电二维金属有机框架中的Zn²⁺-H⁺依次存储

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电压隔离的氧化还原过程可避免LDH结构对Zn²⁺存储的干扰

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具有多重氧化还原功能的导电金属有机框架正极可同时实现高容量与快速动力学性能

研究总结

要推动水系锌离子电池在电网级能量存储领域的应用，就需要开发出既能具备高容量、快速充电功能，又能解决锌离子传输缓慢问题的正极材料。本研究介绍了一种二维导电金属有机框架Cu₃(HHTATP)₂，它可通过实现Zn²⁺-H⁺的依次存储来应对这一挑战。该材料在0.5 A g^?1的电流密度下具有368.7 mAh g^?1的高放电容量和285.9 Wh kg^?1的能量密度，在8 A g^?1的更高电流密度下仍能保持46.9%的初始容量。光谱和结构分析表明，锌离子存储主要通过有机配体与铜元素的氧化还原反应实现，而在较低电位下则通过胺/亚胺转化实现质子的可逆存储。这种依次发生的氧化还原过程通过界面调控提升了电池的动力学性能和能量密度。这些研究结果证明了导电金属有机框架可作为分子级可调控平台，用于开发高性能的水系锌离子电池开架结构正极。

图形摘要