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导语
锂硫（Li-S）电池由于其高能量密度、低成本和环境友好的特性，在储能领域具有重要研究价值。尽管锂硫电池有许多优点，但它仍面临着诸如容量快速衰减、充放电过程中活性材料损失严重等众多挑战。实际上，这些挑战大多可以归因于可溶性多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应。因此，人们正在广泛地探索各种策略，以抑制穿梭效应，提高Li-S电池中硫的利用率。然而，设计一个能够兼具抑制多硫化物的穿梭效应并促进锂离子传输的稳定隔膜涂层十分有挑战性。
金属有机框架（MOF）材料因其独特的高比表面积、易功能化、丰富的孔隙率和结构可设计性等优势，受到了广泛的研究关注。基于这些优势，许多功能性MOF如HKUST-1和ZIF-8等已经成功应用于Li-S电池，这证明MOFs作为隔膜修饰层来抑制多硫化物穿梭作用的有效性。然而，这些修饰层通常存在稳定性有限或多硫化物催化活性不足的问题。此外，大多数修饰层太厚且复合隔膜质量过重，这严重恶化了Li+的传输效率，也一定程度上抵消了Li-S电池中高能量密度的优势。所以，探索具有高效催化性能及良好机械稳定性的轻质隔膜修饰层具有重要意义。二维MOF纳米片，特别是具有高效催化金属位点的MOF，在构筑高性能的超薄隔膜修饰层方面具有很大潜力。众多MOF种类当中，锆基MOF一般具有较高的结构框架稳定性和有序的孔道结构，但缺乏优良的催化金属中心。因此，在多孔Zr-MOF纳米片中引入高效多硫化物催化中心，有望实现所需的多功能锂硫电池隔膜修饰层。近日，福建师范大学张章静、程志斌团队在该领域取得进展，相关研究成果发表在CCS. Chem（DOI: 10.31635/ccschem.023.202303074）。
前沿科研成果
一种独特的双金属In/Zr-BTB MOF纳米片作为Li-S电池的隔膜修饰层
该工作设计了一种独特的双金属In/Zr-BTB MOF纳米片作为Li-S电池的隔膜修饰层。该修饰层具有超薄的厚度（260nm）和超轻的面载量（0.011 mg/cm2），且具有优异的孔结构性质，从而在抑制多硫化物穿梭的同时具有高效的锂离子传输功能。此外，大多数报道的MOF基隔膜修饰层存在着大量的晶界间隙，导致多硫化物从晶界穿梭，降低MOF对穿梭效应的抑制作用。与此形成鲜明对比的是：In/Zr-BTB@PP隔膜通过纳米片的紧密堆叠，可以有效消除晶面间隙，实现高效的多硫化物拦截功能；且In/Zr-BTB具有稳定的结构、高效的催化金属位点。得益于In/Zr-BTB@PP的协同优势，Li-S电池即使在高电流密度下也具有优异的循环稳定性和高能量效率。In/Zr-BTB@PP电池即使在2C的高电流下经过300次循环后，仍拥有85.6%的高容量保持率。
图1.（a）In/Zr-BTB纳米片的合成步骤示意图。（b）In/Zr-BTB纳米片的TEM图像。（c）In/Zr-BTB纳米片的SEM图像。（d）SEM元素图谱图像。（e）In/Zr-BTB和Zr-BTB纳米片的XRD图像。（f）In/Zr-BTB、InCl3·H2O和Indium的In 3d XPS光谱。（g）In/Zr-BTB@PP隔膜的照片。（来源：CCS. Chem）
图2.（a）In/Zr-BTB纳米片的N2吸附等温线。（b）In/Zr-BTB纳米片在Li2S6溶液中浸泡后的XRD测试。（c）多硫化物吸附测试。（d）吸附多硫化物后In/Zr-BTB纳米片的FT-IR光谱。In/Zr-BTB的（e）In 3d和（f）Zr 3d的XPS光谱。（g）In/Zr-BTB@PP和PP隔膜的H形装置的渗透实验。
图3. 使用In/Zr-BTB@PP、Zr-BTB@PP和PP隔膜的Li-S电池的催化性能。（a）CV曲线。（b）在1.7V至2.8V的电位窗口中，0.05C电流下的充放电曲线。（c）对称电池在10mV S-1下的CV曲线。（d）倍率性能。（e）带有In/Zr-BTB@PP隔膜的Li-S电池在不同速率下的充电-放电曲线。（f）不同速率下的QL比率。（g）EIS图谱。（h）在2C电流下的长循环测试。（来源：CCS. Chem）
图4.（a）高硫负载电池在2C电流下进行的长循环测试。（b）In/Zr-BTB@PP与已报道的MOF@PP隔膜的电化学性能比较。（c）In/Zr-BTB和Zr-BTB纳米片的多硫化物吸附和转化示意图。
图5. 使用In/Zr-BTB@PP、Zr-BTB@PP和PP隔膜的Li-S电池的电化学性能。（a）GITT图。（b）相对于归一化放电-充电时间的内部电阻。（c）在使用In/Zr-BTB@PP、Zr-BTB@PP和PP隔膜的Li|separator|Li电池中，在1 mA cm-2和2 mA h cm-2下的Li剥离和沉积性能。（d）In/Zr-BTB、（e）Zr-BTB和（f）PP电池在不同扫描速率下的CV曲线；（g）In/Zr-BTB@PP、（h）Zr-BTB@PP和（i）PP电池的电池的A、B和C峰值电流的线性拟合。（来源：CCS. Chem）
总结
该团队通过离子交换法制备了一种双金属MOF纳米片（In/Zr-BTB），并将其用于锂硫电池隔膜的改性。In/Zr-BTB纳米片不仅具有优异的孔结构性质，而且同时具备了锆基MOF的框架稳定性和铟基材料的多硫化物催化活性。因此，超薄且致密的纳米片修饰层不仅可以提供丰富的吸附/催化转化位点，而且在促进锂离子快速转移的同时可以显著抑制多硫化物的自由穿梭，从而实现锂硫电池高倍率条件下的稳定循环运行。该工作对于高性能锂硫电池的构筑具有重要意义。
该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry上，文章的通讯作者为张章静研究员和程志斌副教授，第一作者为程志斌副教授和硕士研究生连杰。该研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金、结构化学国家重点实验室的大力支持。
课题组简介
长期从事无机化学、材料化学和合成化学的交叉性研究工作，尤其以氢键有机框架（HOFs）和金属有机框架（MOFs）等晶态多孔功能材料为模型，围绕门控化学开展了较为系统的研究工作，探索它们在气体吸附分离、电学双稳态、光学传感与分子识别等领域的应用。
教授简介
程志斌副教授简介：福建师范大学化学与材料学院副教授，福建省级高层次人才，曾获中国科学院院长优秀奖等荣誉，长期致力于多孔材料的制备及储能系统关键材料的结构设计和性能研究。发表SCI论文三十多篇，其中近五年以第一作者及通讯作者身份发表在Adv. Energy Mater.、CCS Chem.、Adv. Funct. Mater.等影响因子大于10的Top期刊论文14篇，ESI高被引2篇，单篇最高他引268次。以第一发明人申请中国发明专利5项，已获授权3项；担任Polymers、Frontiers in Chemistry等SCI期刊客座编辑。
张章静研究员，福建师范大学化学与材料学院研究员，长期从事晶态多孔材料的研究。迄今以第一／通讯作者发表期刊论文50余篇。单篇最高引用601次，论文的SCI总引用频次逾8000次，H指数48。ESI 1%高被引论文11篇。其中近五年来，以通讯作者（含共同通讯）在 Nature Chemistry 、 Sci. Adv.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater. 等期刊上发表工作。入选福建省百千万人才工程，荣获福建省青年科技奖、福建省运盛青年科技奖，获得福建省杰青及滚动项目等项目资助。
邀稿
今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。来稿请联系C菌微信号：chembeango101。
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