浙江大学陈志杰课题组JACS：具有复杂合并网络的金属有机框架的合成及其锂离子传导性能研究

发展兼具高离子电导率与高稳定性的无机-有机杂化固态电解质，是推动固态锂金属电池走向实际应用的一个有前景的发展方向。金属-有机框架（MOF）由金属节点和有机配体通过强配位键构建而成，代表了一类新兴的固态电解质材料，有效地弥合了无机和聚合物体系之间的差距。此外，基于MOF的固态电解质具有结构多样性、高度可调的孔道环境和位点功能化的能力，特别是通过将阴离子基团锚定在金属簇上，显著促进锂离子传导。

近日，浙江大学化学系陈志杰研究员课题组报道了一种阴离子型锌-氮唑基金属有机框架（Zn-TBTB）的网格化学组装。该MOF具有笼中笼结构，并呈现出复杂的(3,6,6)-连接的pco合并网络。这种合并网络的结构特性赋予了Zn-TBTB高的电化学稳定性以及模块化的混合阴离子配位的孔道环境，从而实现了高电压窗口和低温锂离子传导。相关成果以“Reticular Assembly of Complex Cage-within-Cage Merged-Net MOFs for Lithium-Ion Conductivity”为题，发表在Journal of the American Chemical Society上。

图1. Zn-TBTB的组装示意图及pco拓扑网络的产生

设计并合成了一种三连接的苯基三苯并三氮唑配体。单晶X射线衍射分析表明，该材料结晶于立方晶系（空间群F3c），拓扑结构基于（3,6,6）连接的pco合并网络，是一种基于pcu-b网络和bor网络合并而来，这是该拓扑网络首次在MOF中被实验构筑。

图2. Zn-TBTB-Li的离子传导性能

Zn-TBTB独特的笼中笼结构和复杂的pco合并网络赋予了Zn-TBTB良好的热稳定性、化学稳定性和水稳定性。通过PXRD、N2吸附表征手段，证实Zn-TBTB的稳定性。这种多组分合并网络框架不仅提供稳定的框架结构，还为锂离子传导提供了模块化的混合阴离子配位的孔环境。通过进一步锂离子交换获得Zn-TBTB-Li。多种表征手段（PXRD、XPS、ICP、NMR、N2吸附等）共同证实，交换过程在保持框架完整性的同时，实现了锂离子成功地交换到Zn-TBTB的阴离子骨架的孔道中。Zn-TBTB-Li材料在25℃下的平均离子电导率为1.84×10-4 S cm-1，在-5℃下为6.13×10–5 S cm–1，活化能为0.27 eV。

图3. 基于Zn-TBTB准固态电解质的锂金属电池性能测试

组装准固态锂金属电池显示良好的倍率性能。在25 ℃下，经过200次充放电循环后，准固态锂金属电池具有高容量保持率（85%）和高库仑效率（99.7%）。在0.5 °C下，经过200次循环后，其放电容量为62 mAh g-1。这些结果表明，Zn-TBTB-Li具有良好的耐温性和稳定性。

综上所述，本研究工作发展了具有合并网络结构的MOF在固态电解质的应用，这种多组分合并网络框架提供了一个稳定的结构平台和具有模块化混合阴离子配位的孔道环境，实现高效的锂离子传导。

该论文的第一署名单位为浙江大学化学系，陈志杰研究员为通讯作者，博士生熊彰熠为本文的第一作者。课题组研究生顾梁、翟梦阳、曹泓昊、张湘川兰和本科生章怡楠、曹杜一共同参与完成该课题。分析测试平台的刘继永老师、施蒂儿老师、高李娜老师提供测试帮助。本工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等资助。

论文详情：Zhangyi Xiong, Liang Gu, Mengyang Zhai, Honghao Cao, Yinan Zhang, Xiangchuanlan Zhang, Duyi Cao, Zhijie Chen*，Reticular Assembly of Complex Cage-within-Cage Merged-Net MOFs for Lithium-Ion Conductivity. J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c02393.

作者简介

熊彰熠，浙江大学化学系2023级博士研究生。主要研究方向为功能晶态多孔材料的设计合成及离子电池性能研究，入学以来，以(共同)第一作者发表Journal of the American Chemical Society（2篇）、CCS Chemistry（1篇）、ACS Central Science（1篇）、Chemical Engineering Journal（1篇）。主持2026年度浙江省应用基础研究计划“新苗”项目（博士生项目）。

课题组/导师主页: https://person.zju.edu.cn/zhijiechen