张章静/陈邦林Angew.：HOFs提高Li-CO2电池循环稳定性和倍率性能！

研究内容

设计多功能电催化剂促进Li+和CO2传输对于提高Li-CO2电池的循环稳定性和倍率性能至关重要。具有开放通道和易于功能化表面的氢键有机框架(HOFs)在Li-CO2电池的高效正极中具有巨大的应用潜力。鉴于HOF-FJU-1表现出具有丰富官能团的多孔结构，同时在苛刻条件下保持非常稳定，引入HOF-FJU-1基催化剂可能对实现高性能Li-CO2电池具有巨大的应用潜力。

因此，福建师范大学张章静和陈邦林首次使用一种坚固的HOF-FJU-1作为Li-CO2电池正极材料中的助催化剂。具有规则排列的开放通道的HOF-FJU-1有利于CO2和Li+的传输，实现CO2的快速氧化还原动力学转化。因此，基于HOF-FJU-1的Li-CO2电池能够在400 mA g-1下稳定运行1800小时，并且即使在高达5 A g-1的高电流密度下也能保持1.96 V的低过电势。相关工作以“Hydrogen-Bonded Organic Framework to Upgrade Cycling Stability and Rate Capability of Li-CO2 Batteries”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者首先通过用Ru0纳米颗粒修饰的碳纳米管(Ru@CNT)组成了超稳定的HOF-FJU-1，成功地制备了一种高效的HOFs基正极。

要点2. 将HOF-FJU-1引入催化剂中可能具有以下关键优点：（I）HOF-FJU-1具有吸附CO2的能力，有利于提高CO2转化率和提高CO2利用率；（Ⅱ）具有周期性位于纳米孔中的氰基官能团的HOF-FJU-1可以诱导放电产物的均匀沉积，并适应放电产物在循环过程中的体积膨胀；（Ⅲ）HOF-FJU-1能够使Ru0纳米粒子与氰基基团有效相互作用，从而形成高效、均匀的CRR/CER催化位点；（IV）HOF-FJU-1具有规则排列的开放通道，有利于CO2和Li+的传输，实现CO2的快速氧化还原动力学转化。

要点3. 基于HOF的正极在100 mA g-1的电流密度下显示出1.09 V的低过电位和24245 mAh g-1的超高容量。HOF-FJU-1-Ru@CNT基Li-CO2电池在400 mA g-1下稳定运行1800小时，并且即使在高达5 A g-1的高电流密度下也能保持1.96 V的低过电势。电化学性能与基于晶体材料的最先进的Li-CO2电池相当，甚至更好。

该工作为开发多功能HOFs基催化剂以提高Li-CO2电池的寿命和倍率性能提供了宝贵的指导。

研究图文

图1.（a）HOF-FJU-1的晶体结构(灰色=碳；橙色=氢；蓝色=氮)。HOF-FJU-1在化学溶剂中的（b）稳定性、（c）热稳定性和（d）在不同温度下吸附CO2的能力。（e）Li-CO2电池的原理图。

图2.（a）Ru 3p和（b）N 1s的XPS。（c）HOF-FJU-1-Ru@CNT在不同的温度下的PXRD。（d）Ru@CNT和HOF-FJU-1-Ru@CNT在乙醇溶剂中的分散以及润湿电解质。（e）不同复合材料电池的阻抗图。（f）Li+和TFSI-与HOF-FJU-1的结合能以及HOF-FJU-1传输CO2和Li+的示意图(白色=H；灰色=C；红色=O；蓝色=N；橙色=Li+；绿色=f)。

图3.（a）电化学阻抗谱。（b）200 mA g-1时的第一次循环曲线。（c）100 mA g-1下的全放电电压曲线(插图：HOF-FJU-1-Ru@CNT电池供能18个并联的红色LED)。（d）HOF-FJU-1-Ru@CNT电池在不同的电流密度下的放电曲线。在不同电流密度下（e）切断放电/充电电位和（f）电池过电位。（g）循环过程中的能量效率和极化电压。（h）电池在400 mA g-1下的工作寿命。

图4.（a）PXRD，（b）Li 1s的XPS和（c）非原位傅立叶变换红外光谱(FTIR)光谱。（d-f）HOF-FJU-1-Ru@CNT和（g-i）Ru@CNT分别处于原始、放电和再充电阶段的正极。

图5.（a）Li+TFSI-解离的活化能。（b）Ru@CNT和HOF-FJU-1-Ru@CNT界面的部分态密度(PDOS)。（c）吸附的中间体的优化结构以及（d）Ru@CNT和HOF-FJU-1-Ru@CNT界面上放电/充电反应的吉布斯自由能图。

文献详情

Hydrogen-Bonded Organic Framework to Upgrade Cycling Stability and Rate Capability of Li-CO2 Batteries

Zhibin Cheng, Yanlong Fang, Yisi Yang, Hao Zhang, Zhiwen Fan, Jindan Zhang, Shengchang Xiang, Banglin Chen*, Zhangjing Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202311480

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