近日，太阳集团app首页賓德善教授、周小平教授和李丹教授團隊發展了一種僅基于内部結晶不均的單一組分金屬有機框架材料經一步熱解即可獲得一系列空心多孔碳材料的新方法，并證實所獲得的空心多孔碳材料可作為長循環穩定的鈉離子電池負極材料。該工作以“Facile Fabrication of Hollow Nanoporous Carbon Architectures by Controlling MOF Crystalline Inhomogeneity for Ultra-Stable Na-Ion Storage”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》（德國應用化學，IF=16.6）上。

圖1 論文在線發表截圖

        空心納米孔碳結構（HNCs）具有結構穩定、電導率高和傳質能力強等特點，在儲能、催化、分離、醫藥等領域有着重要應用價值。開發簡單、可控、有望放大制備的HNCs合成方法具有重要的意義。金屬有機框架材料（MOFs）具有豐富的化學組分和結構多樣性，為HNCs設計制備和功能化提供了新的平台。但現有方法需要依賴MOF複合物（如MOF@MOF，MOF@表面保護層），相關制備需要進行表面包覆、刻蝕或者配體交換等要求比較苛刻的過程，不利于高的合成效率和産率，且不利于放大制備。

        研究發現，以傳統的溶液反應法代替溶劑熱反應法，并結合反應動力學參數的控制，即可合成一系列不同顆粒結構（包括自組裝結構）且内外結晶度分布不均的單一組分MOFs微米晶體顆粒（如圖2所示）。這些結晶不均的MOFs顆粒經一步碳化即可分别演變形成不同結構的空心多孔碳材料，包括蛋黃-蛋殼多面體結構、介孔球結構、空心球結構以及空心多孔超結構。該方法成果避免了傳統方法所需的包覆、刻蝕和配體交換等苛刻步驟，具有較強的調控性和放大制備可行性。

圖2 合成示意圖

        圖3a-b展現了STU-1的晶體結構和顆粒的TEM結構，顯示為實心；熱解後的SEM、TEM和雙束聚焦離子束顯微鏡（FIB）-切面結構（圖3d-f）,顯示空腔形成；通過選擇合适的稀醋酸溶液，可以識别内部結晶度低的部分，選擇性刻蝕形成空心材料（圖3c）。空腔形成機理研究發現， STU-1顆粒内不同結晶度的組分在碳化受熱後的向内收縮的速率和程度不同，結晶度高的外殼受熱後收縮幅度小，而結晶度低的内核受熱後收縮幅度大，這種差異促進了空腔的形成，這揭示了一種碳材料空腔形成的新機制。

圖3. STU-1b和碳化所得蛋黃-蛋殼碳材料的表征

        所制備的HNCs材料可以作為一種高比容量、長循環穩定的鈉電負極材料，在5C的大電流下循環8000次容量保持率為93%，為高穩定性鈉離子電池的開發提供了新的思路。

圖4. HNCs的儲鈉電化學性能表征

        本工作亮點在于：加深了對單個MOF顆粒内部結晶不均的理解和認識，并為調控MOFs結構和通過MOFs實現HNCs材料的綠色、簡單和可控制備提供了新思路；提出了一種新的空腔形成機制，同時獲得長壽命鈉電負極材料。

    碩士生鄭澤林、吳明敏和曾娴為本文共同第一作者。該成果得到了國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目、廣東省重大基礎與應用基礎計劃、廣東省自然科學傑出青年基金、廣州市科技計劃項目和太阳集团app首页等項目的資助。

原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400012

文圖：曾   娴

校對：劉   雪

責編：李逸凡

初審：周小平

終審：陳填烽