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            科學研究

            化工學院黃文歡團隊在《Advanced Materials》上發表MOF固態電解質研究成果

            2023-12-14 09:50 文、圖/化工學院 點擊:[]

            近日,我?;瘜W與化工學院黃文歡教授團隊在Advanced Materials期刊發表題為“Universal F4-modified Strategy on Metal Organic Framework to Chemical Stabilize PVDF-HFP as Quasi-Solid-State Electrolyte”的研究論文,黃文歡教授、阿卜杜拉國王科技大學張華彬教授、揚州大學龐歡教授為論文共同通訊作者,合作者包括西安交通大學儀器分析中心鄧楠、梁艷,為本論文提供了重要的測試協助。陜西科技大學為第一通訊單位。

            設計具備高離子電導率和離子遷移數的固態電解質材料對實現高性能固態電池(SSBs)至關重要。目前,傳統的有機和無機固態電解質無法全面滿足固態電池高效運行的需求,因此亟需研發新型的高性能固態電解質材料。近年來,金屬-有機框架材料(MOFs) 作為一種新型多孔材料,具有孔隙率大、活性位點多、結構易調控等優點,且因其結構多樣性和化學可調性,成為固體電解質(SSEs)材料的研究熱點。研究發現,MOF材料吸附鋰鹽后,可用作鋰離子導體,并表現出較高的離子電導率和鋰離子遷移數。因此,基于金屬有機框架(MOF)和聚合物混合基質膜(MMM)的固態電解質(SSEs)在鋰金屬電池(LMBs)中的鋰離子導電和界面電阻方面都表現出極大的促進作用。然而,不良的結構演變和兩相之間不明確的電化學反應機制都嚴重限制了它們的進一步優化和商業應用。通過合理的結構設計提升MOF基MMM固態電池隔膜,解明其在電池中的作用機理至關重要。

            本論文工作合成了具有不同F含量的氟改性Zr-BDC,用于與PVDF-HFP組裝高性能的固態電解質(QSSE)。Zr-BDC-F4中F位點的化學絡合使PVDF-HFP鏈穩定在β相和無序振蕩狀態,從而增強了電荷轉移和Li傳輸特性, Zr-BDC-F4/PVDF-HFP QSSE具有5.27×10-4 S/cm高鋰離子電導率。隔膜中F-基團的多孔約束和電負性增強了TFSI-陰離子的捕獲和解離以及LiF固體電解質相(SEI)的均勻沉積,促進了Li+離子高效傳輸,抑制了鋰枝晶生長。此外,采用XPS深度刻蝕技術和TOF-SIMS研究了鋰金屬表面的SEI組分,進一步驗證了F基團的多孔約束和電負性,Zr-BDC-F4與TFSI-陰離子之間3.32 eV的高結合能促進了LiTFSI的解離和富LiF固體電解質相(SEI)的均勻沉積,使得鋰金屬負極在高電流密度下的庫倫效率和循環穩定性得到顯著提高。

            為了進一步驗證界面穩定性的提高和對鋰枝晶的抑制有助于實現長期循環,組裝了Li//LFP紐扣電池,經過300次循環后,在1C下仍能保持145.3 mAh/g超高比容量。即使在袋式電池中,2C下也實現了121.9 mAh/g高比容量,并且在300次循環后仍具有很高穩定性。此外,高電壓NCM-811//Li和高負載LFP//Li(高LFP質量負載為6.82mg/cm2)準固態電解質具有出色的穩定電化學性能。更重要的是,通過組裝Zn-BDC-Fx、Ce-BDC-Fx和Fe-BDC-Fx(x=0,4)QSSE,證實了F4改性策略的普適性;它們在0.5C下,Li| LFP紐扣電池中分別表現出120.8、128.4、114.4mAh/g增強比容量和高穩定性。

            文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202310147

            附:團隊近三年部分代表性論文:

            (1)W. Huang*, S. Wang, X. Zhang, Y. Kang, H. Zhang*, N. Deng, Y. Liang, H. Pang*, Universal F4-modified Strategy on Metal Organic Framework to Chemical Stabilize PVDF-HFP as Quasi-Solid-State Electrolyte, Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202310147. (2022影響因子:29.4)

            (2)X. Zhang, Q. Su*, G. Du, B. Xu, S. Wang, Z. Chen, L. Wang, W. Huang*, H. Pang*, Stabilizing Solid-state Lithium Metal Batteries through In Situ Generated Janus-heterarchical LiF-rich SEI in Ionic Liquid Confined 3D MOF/Polymer Membranes, Angew Chem. Int. Ed., 2023, 62(39), e202304947. (2022影響因子:16.6)

            (3)W. Huang, C. Su, C. Zhu, T. Bo, S. Zuo, W. Zhou, Y. Ren, Y. Zhang, J. Zhang, M. Rueping*, H. Zhang*, Isolated Electron Trap-Induced Charge Accumulation for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production, Angew Chem., Int. Ed., 2023, 62 (25), e202304634.(VIP paper)(2022影響因子:16.6)

            (4)W. Huang,* X. Zhang, J. Chen, Q. Qiu, Y. Kang, K. Pei, S. Zuo, and R. Che*, High-density Nanopore Confined Vortical Dipoles and Magnetic Domains on Hierarchical Macro/Meso/Micro/Nano Porous Ultra-Light Graphited Carbon for Adsorbing Electromagnetic Wave, Advanced Science, 2023, 2303217. (2022影響因子:15.1)

            (5)W. Huang*, Q. Qiu, X. Yang, S. Zuo, J. Bai, H. Zhang*, K. Pei and R. Che*, Ultrahigh Density of Atomic CoFe-Electron Synergy in Noncontinuous Carbon Matrix for Highly Efficient Magnetic Wave Adsorption. Nano-Micro Letters, 2022, 14(1): 96.(2022影響因子:26.6)

            (6)W. Huang, T. Bo, S. Zuo, Y. Wang, J. Chen, S. Ould‐Chikh, Y. Li, W. Zhou*, J. Zhang, H. Zhang*, Surface decorated Ni sites for superior photocatalytic hydrogen production, Susmat, 2022, 2(4) 466-475.(邀稿,2022影響因子:28.4)

            (7)W. Huang*, W. Gao, S. Zuo, L. Zhang, K. Pei, P. Liu and R. Che*, and H. Zhang*, Hollow MoC/NC Sphere for Electromagnetic Wave Attenuation: Direct Observation of Interfacial Polarization on Nanoscale Hetero-interfaces. Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10: 1290-1298.(雜志封面Outside Front Cover)(2022影響因子:11.9)

            (8)W. Huang*, X. Li, X. Yang*, H. Zhang, P. Liu, Y. Ma, and X. Lu, CeO2-embedded mesoporous CoS/MoS2 as highly efficient and robust oxygen evolution electrocatalyst. Chemical Engineering Journal, 2021, 420: 127595.(2022影響因子:15.1)

            (9)X. Zhang, W. Huang*, L. Yu, M. García-Melchor, D. Wang, L. Zhi* and H. Zhang* Enabling Heterogeneous Catalysis to Achieve Carbon Neutrality: Directional Catalytic Conversion of CO2 into Carboxylic Acids, Carbon Energy, 2023, e362. (2022影響因子:20.5)

            (10)M. Sun, W. Cao, P. Zhu, Z. Xiong, C. Chen, J. Shu*, W. Huang*, Fan Wu*, Thermally tailoring magnetic molecular sponges through self-propagating combustion to tune magnetic-dielectric synergy towards high-efficiency microwave absorption and Attenuation, Advanced Composites and Hybrid Materials, 2023, 6: 54. (2022影響因子:20.1)

            (11)C. Feng, Y. Ren, F. Razq, W. Huang*, H. Zhang*, An innovative and ingenious strategy to construct single-atom catalyst for photocatalytic methane conversion, Matter, 2022, 5, 3086–3111. (2022影響因子:18.9)

            (12)P. Li, Z. He, X. Li, W. Huang*, and X. Lu*, Fullerene-Intercalated Graphitic Carbon Nitride as a High-Performance Anode Material for Sodium Ion Batteries. Energy & Environmental Materials, 2022, 5: 608–616.(邀稿,2022影響因子:15)

            新聞小貼士:

            黃文歡,主要從事多氮唑雜化框架的設計合成,能源存貯及轉化、電磁波吸收屏蔽、固態電池關鍵材料的應用研究。入選“2023年度全球前2%頂尖科學家榜單”,陜西省“科學家+工程師”創新團隊首席科學家、陜西省科技新星,近年來主持國家項目2項、省部級各類科研項目9項、教學項目3項,獲得陜西省高??茖W技術獎一等獎(第1完成人)1項,陜西省人才計劃項目2項。在Angew Chem. Int. Ed.、Advanced Materials、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Matter、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal等國際期刊上發表SCI論文50余篇,其中受邀撰寫綜述6篇,高被引論文6篇,熱點論文2篇。授權國家發明專利7項,其中4項實現企業轉化。曾受邀請在國內外學術會議上作報告16次,媒體轉載相關研究成果20余次。組織學生參加“挑戰杯”課外學術科技競賽獲得省級二等獎2項、三等獎1項,獲得陜西省第六屆研究生創新成果展省級一等獎1項,省級創新基金1項;培養研究生獲得“優秀畢業生”、“優秀碩士畢業論文”、“國家獎學金”、“研究生高水平科研成果獎勵”等。

            (核稿:費貴強 編輯:劉倩)

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