IF 16.1！骨架氮功能化的同构二维共轭金属有机框架用于增强双离子储存容量

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二维共轭金属有机框架（2D c-MOFs）正逐渐成为电化学储能的重要电极材料。然而，实现2D c-MOFs优异双离子储存性能的可行途径仍未明确。本研究报道了基于π共轭OHPTP配体（八羟基菲并三苯）通过引入一个或两个氮原子，合成了具有精确芳香碳氮排列的Cu2(Nx-OHPTP) 2D c-MOFs（x=0,1,2）。Cu2(Nx-OHPTP)中的骨架氮修饰实现了额外氧化还原位点的协同引入，从而显著提升了独特的双离子吸附容量。因此，Cu2(N2-OHPTP)阴极表现出显著增强的双离子（即Li+和Cl-）储存电化学性能，具有53.8 mAh g−1的高比容量，是Cu2(N0-OHPTP)的两倍，Cu2(N1-OHPTP)的1.3倍。此外，Cu2(N2-OHPTP)电极展现出52%的良好倍率性能和1000次循环后96%的优异循环稳定性。研究确定了以氮为中心的氧化还原位点作为额外的Li+吸附位点。计算结果表明，氮掺杂后在更缺电子的CuO4连接处，Cl-吸附能增强约1.0 eV。本工作为精确设计具有优异电化学性能的2D c-MOFs铺平了道路，推进了其在双离子储存应用中的发展。

创新点：

1. 首次通过在二维共轭金属有机框架中引入精确控制的骨架氮原子，实现了材料结构和性能的协同调控，开创了提升双离子储存性能的新策略。

2. 系统研究了不同氮原子数量对材料储能性能的影响规律，揭示了氮功能化增强双离子储存容量的作用机制，为材料设计提供了理论指导。

3. 在分子水平实现了对材料电子结构的精确调控，通过氮原子的引入改变了CuO4连接处的电子密度分布，显著提升了氯离子的吸附能力。

科研工作启发：

1. 科研工作应当注重从分子层面进行精确设计和调控，通过原子级别的结构修饰来实现材料性能的显著提升，而不是简单的材料组合。

2. 在研究过程中，应当建立系统的实验设计，通过对比不同程度修饰的材料性能，深入理解构效关系，为后续研究提供可靠的实验依据。

3. 理论计算与实验表征相结合的研究方法对于阐明材料性能提升机理具有重要作用，应当充分利用多种研究手段进行深入探索。

思路延伸：

1. 在材料设计方面，可以探索其他类型的原子功能化修饰策略，如硫、磷等杂原子的引入，研究不同杂原子对材料性能的影响。

2. 在应用拓展方面，该策略不仅可用于双离子储存，还可以延伸到其他电化学应用领域，如超级电容器、电催化等方向。

3. 在机理研究方面，可以深入探究离子传输动力学过程，研究骨架结构对离子扩散行为的影响，为进一步优化材料结构提供依据。

4. 在工艺优化方面，需要探索更高效、更经济的合成方法，研究放大制备工艺，为材料的实际应用奠定基础。

5. 在性能提升方面，可以研究复合改性策略，如通过引入导电添加剂、构建异质结构等方式进一步提升材料性能。

6. 在表征方法上，可以发展原位表征技术，深入研究材料在实际工作条件下的结构演变和性能变化规律。

Skeletal Nitrogen Functionalization of Isostructural 2D Conjugated MOFs for Enhancement of the Dual‐Ion Storage Capacity

Angew. Chem. Int. Ed. (IF 16.1)

Pub Date  : 2024-11-26

DOI : 10.1002/anie.202418390

Lukas Sporrer, Quanquan Guo, Xiaodong Li, Angelika Wrzesinska-Lashkova, Fanny Reichmayr, Shuai Fu, Hai I. Wang, Mischa Bonn, Xiangyu Li, Paul-Alexander Laval-Schmidt, Mingchao Wang, Yang Lu, Yana Vaynzof, Minghao Yu, Xinliang Feng, Renhao Dong

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