那慕尔大学/武汉理工大学苏宝连院士组：ZIF-8衍生多孔碳与MWCNTs交织构建三维网络：助力高性能锂硒电池反应动力学

▲第一作者：李红燕

通讯作者：苏宝连李昱

通讯单位：比利时那慕尔大学，武汉理工大学

DOI：10.20517/cs.2022.04

文章题目：Selenium confined in ZIF-8 derived porous carbon@MWCNTs 3D networks: tailoring reaction kinetics for high performance lithium-selenium batteries

文章概述

锂硫电池因其高容量成为未来二次电池有竞争力的候选者。然而，锂硒电池充放电过程中存在的穿梭效应限制了该电池的快速发展。那慕尔大学/武汉理工大学苏宝连院士及武汉理工大学李昱教授课题组将拥有丰富微孔的碳纳米颗粒(ZIF-8-C)和对离子/电子有快速传输作用的互联多臂碳纳米管(MWCNTs)结合，合成了铆钉微孔颗粒的碳纳米管复合体系(ZIF-8-C@MWCNTs)，并探索了颗粒大小在体系中的最佳匹配值。相关成果“Selenium confined in ZIF-8 derived porous carbon@MWCNTs 3D networks: Tailoring reaction kinetics for high performance lithium-selenium batteries”发表在Chemical Synthesis。与单一ZIF-8衍生的微孔碳相比，本研究合成的ZIF-8衍生多孔碳与MWCNTs复合的三维高导电网络(ZIF-8-C@MWCNTs)促进了锂离子扩散和电子传输。ZIF-8晶体的粒径大小对电池性能具有重要影响，通过调整ZIF-8粒径的尺寸可以调控ZIF-8-C@MWCNTs 3D网络中的电化学反应动力学。这项工作为高性能锂硒电池的进一步结构设计和粒径的选择提供了重要指导。

图文解析

▲图1. Se@ZIF-8-C@MWCNTs-X(X=1-5)的合成示意图以及不同尺寸ZIF-8-C颗粒的调节。

以简单的溶剂热法合成了原位生长有ZIF-8的MWCNTs复合体系。通过控制一甲基咪唑的加入量来调节ZIF-8颗粒的尺寸大小。通过高温煅烧碳化ZIF-8来提高体系的导电性能。

▲图2. ZIF-8-C (A, D)，ZIF-8-C@MWCNTs-1 (B, E)，ZIF-8-C@MWCNTs-2 (C, F)，ZIF-8-C@MWCNTs-3 (G, J)，ZIF-8-C@MWCNTs-4 (H, K)和ZIF-8-C@MWCNTs-5 (I, L)的TEM图。

纯ZIF-8-C的颗粒尺寸为50 nm左右；ZIF-8-C@MWCNTs-1，ZIF-8-C@MWCNTs-2，ZIF-8-C@MWCNTs-3，ZIF-8-C@MWCNTs-4，ZIF-8-C@MWCNTs-5中的ZIF-8-C尺寸分别为20-30，100-150，300-500，500-800，800-1500 nm。

▲图3. 电子/离子在不同ZIF-8-C颗粒大小的ZIF-8-C@MWCNTs的传输机制以及不同Se@ZIF-8-C@MWCNTs-X (X=1-5)正极的电池获得的阻抗和比容量的汇总。

全文总结

本文以快速化学反应动力学所必需的丰富反应位点以及快速的电子和离子传输为切入点，合成了负载活性物质硒的微孔颗粒铆钉的互联多臂碳纳米管的复合结构Se@ZIF-8-C@MWCNTs。Se@ZIF-8-C@MWCNTs优异的电化学性能得益于ZIF-8的大量微孔提供的活性位点和因MWCNTs引入而大大提高的快速电子传输。此外，相互连通的3D MWCNTs网络形成的蓬松结构可以加速离子转移，增强多硒化物的吸附，进一步改善电化学反应，保持电池良好的稳定性。重要的是，MWCNTs上ZIF-8衍生的微孔碳颗粒的晶体尺寸对电池性能有显著影响。粒径在300-500 nm 左右的ZIF-8-C铆钉在MWCNTs上所获得的Se@ZIF-8-C@MWCNTs-3复合材料具有最高的电导率和快速的Li⁺转移，从而达到最优化的容量及稳定性。这项工作的研究策略是提供一种简便的方法来获得MOF与MWCNTs的连接，减轻低效的电子传输，并探究了ZIF-8衍生微孔碳的粒径大小对反应动力学的影响。从长远来看，这种策略可以通过各种导电网络应用于其它MOF，以改善先进Li-Se或Li-S电池的反应动力学。

论文第一作者为那慕尔大学化学院博士生李红燕，论文通讯作者为那慕尔大学/武汉理工大学苏宝连院士及武汉理工大学李昱教授。此研究得到国家留学基金委，国家自然科学基金，比利时”Plan de relance”计划等资助支持。

作者介绍

苏宝连

欧洲科学院院士，比利时皇家科学院院士

1992年获得法国巴黎皮尔.玛丽居里大学理学博士学位，比利时那慕尔大学终身教授，那慕尔大学无机材料化学实验室创建主任。武汉理工大学战略科学家，材料复合新技术国家重点实验室副主任。英国剑桥大学Clare Hall Life member。2020年任法国大学科学院（Academic Institute of France）院士增选委员会主席。2021年当选世界介观结构材料协会主席。1993年获中石化技术发明奖一等奖，1994年获中国优秀专利奖，2007年获比利时皇家科学院Adolphe Wetrems奖，2011年获国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料与合成杰出贡献奖，2012年作为带头人获中国侨联“创新团队”贡献奖,2012年获比利时联邦Francqui Chaire奖，2019年获中华人民共和国政府友谊奖，2019年获湖北省自然科学奖一等奖，2020年获国际胶体与界面科学Darsh Wasan杰出贡献奖，2021年获世界介观结构材料协会突出贡献奖。他的研究领域为“等级孔材料设计理论及在能源转化，催化，光催化，光合作用，环保，生命复合材料及人造器官等领域的应用”。现担任Chemical Synthesis主编，Interdisciplinary Materials副主编，National Science Review编委。

李昱

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授，博士生导师

1999年获得西安交通大学学士学位，2002年获得辽宁石油化工大学硕士学位，2005年获得浙江大学博士学位。2005年在安特卫普大学 EMAT 与 G. Vantendeloo教授一起工作，2006年在那慕尔大学与苏宝连教授一起在 CMI 工作。他的研究领域包括纳米材料设计与合成、等级多孔材料合成及其在能源和环境基础方面的应用。

李红燕

于2017年获得中国海洋大学硕士学位。目前她是那慕尔大学无机材料化学 (CMI) 的博士生。主要研究方向为锂硒电池、锂离子电池和染料敏化太阳能电池。

原文链接：

http://dx.doi.org/10.20517/cs.2022.04