碳納米管（CNTs）具有獨(dú)特的中空管狀結(jié)構(gòu)，可以作為一種微反應(yīng)容器，將小分子活性物種限制在其管道中進(jìn)行電化學(xué)性能反應(yīng)。然而致密的管壁和細(xì)長(zhǎng)的管徑結(jié)構(gòu)在很大程度上束縛了內(nèi)部活性物質(zhì)和電解液離子的有效擴(kuò)散和電子傳輸。因此開(kāi)發(fā)多孔的中空碳納米材料成為提高新型金屬二次電池的亟需材料。

近日，我校錢(qián)金杰課題組通過(guò)對(duì)In-MOF熱裂解過(guò)程中配體脫羧和氧化銦納米顆粒氧化還原反應(yīng)的調(diào)控，進(jìn)而形成的液態(tài)金屬銦通過(guò)熔聚和重力作用從碳納米內(nèi)腔中聚集流出形成空腔，從而獲得中空結(jié)構(gòu)的多孔碳材料（HCNS）。這種納米秸稈形狀的HCNS催化劑具有遠(yuǎn)高于CNTs的電化學(xué)交換能力。HCNS具有更多的電荷活性位點(diǎn)、短而快速的電子和離子傳輸途徑，以其獨(dú)特的內(nèi)腔和管壁上相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，成功獲得新一代高性能理想正極材料。其中，HCNS/I0.5展現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)CNTs材料的高比容量（484.9 mAh g-1@1 A g-1）和較好的倍率性能。在此基礎(chǔ)上組裝的鋅碘電池在1 A g-1時(shí)提供了246.6 mAh g-1的高容量，保證了電解液中碘物質(zhì)的吸附和溶解平衡，極大地提高了該電池的倍率和循環(huán)性能，從而獲得了優(yōu)異的容量保持率。

文章要點(diǎn):

1.In-MOF衍生多等級(jí)中空納米碳材料HCNS大大縮短了電子和離子的傳輸路徑。

2.大比表面積的碳骨架具有高電子導(dǎo)電性，可實(shí)現(xiàn)超快電荷轉(zhuǎn)移。

3.引入獨(dú)特的Nafion陽(yáng)離子交換層，有效限制陰離子擴(kuò)散，提高比容量和循環(huán)效率。

因此，本研究工作為鋅離子電池和鋰離子電池等高比能量二次電池的未來(lái)發(fā)展提供一種通用多孔的中空碳材料載體的可控制備策略。這一研究結(jié)果以“In-MOF-Derived Hierarchically Hollow Carbon Nanostraws for Advanced Zinc-Iodine Batteries”為題發(fā)表在《Advanced Science》，溫州大學(xué)作為第一通訊單位，2020屆研究生柴路路為第一作者，溫州大學(xué)錢(qián)金杰副教授、北京化工大學(xué)潘軍青教授和加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士為共同通訊作者，該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（21601137）、中國(guó)科學(xué)院結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（20190008）、溫州市基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目（G20190007，ZG2017027）、溫州大學(xué)研究生科研基金（316202001022）的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202105063