IF 27.4！2D 金属吡啶基卟啉框架的定向组装，用于调节 Li-S 电池中的氧化还原动力学

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开发高效催化剂是加速 Li-S 电池中氧化还原反应的巨大挑战。受单原子催化剂和金属蛋白的启发，它充分利用了金属有机框架 （MOF） 作为电催化剂的优势。在此，分别以 5,10,15,20-四（4-吡啶基）钴卟啉 （CoTPyP） 为结构单元和过渡金属 （M═Mn、Fe、Co、Ni 和 Cu） 为节点制备了一系列 2D 金属键合金属卟啉 MOF。双金属 2D MOF 的晶体结构通过紫外-可见光谱和 X 射线衍射分析得到证实。根据 DFT 计算，外周金属节点优化了卟啉核中 Co 的电子状态。特别是，CoTPyP-Mn 促进 S-S 键的两端裂解，并通过 Co-S 和 Li-N 键促进它们的转换动力学。具有 CoTPyP-Mn 的 Li-S 电池在 0.2 C 时显示 1339 mA h g-1 的初始比容量。在 2 C 下循环 1000 次后，容量衰减率仅为每循环 0.0442%。这项工作通过外周调节实现了对中心 Co d 电子态的合理控制，丰富了 MOF 在加速 Li-S 电池氧化还原动力学中的应用。

创新点

1. 通过引入外周过渡金属节点（如Mn、Fe、Co、Ni、Cu）优化了2D金属卟啉MOF中中心Co的电子状态，显著提升了催化性能。

2. 采用5,10,15,20-四（4-吡啶基）钴卟啉（CoTPyP）作为结构单元，首次实现了双金属协同的2D MOF结构用于Li-S电池。

3. CoTPyP-Mn体系通过Co-S和Li-N键的双重作用，促进了S-S键裂解和氧化还原动力学的加速。

4. 在高倍率（2 C）下实现了Li-S电池1000次循环后仅0.0442%的超低容量衰减率，展示了优异的稳定性。

科研工作的启发

1. 双金属协同作用的设计理念可为开发其他高效电催化剂提供新思路。

2. 通过外周调控中心金属电子态的方法可推广至其他MOF材料的性能优化研究。

3. 结合DFT计算与实验验证的策略有助于深入理解催化剂的结构-性能关系。

4. 金属卟啉框架在能量存储领域的成功应用提示其在其他电化学体系中的潜力。

思路延伸

1. 探索更多过渡金属组合（如Zn、Mo）以进一步优化MOF的电子结构和催化活性。

2. 将2D MOF扩展到3D结构，研究维度变化对Li-S电池性能的影响。

3. 引入多功能配体（如含硫、氧基团），增强MOF与多硫化物的相互作用。

4. 开发自支撑的MOF电极材料，减少电池中非活性组分，提升整体能量密度。

5. 通过原位表征技术（如XAS、TEM）实时监测MOF在电池循环中的结构演变。

生物医学领域的应用

1. 利用2D金属卟啉MOF的高催化活性开发仿酶催化剂，用于生物传感器的信号放大。

2. 基于其优异的电子调控特性，设计靶向氧气还原的MOF材料用于肿瘤低氧环境治疗。

3. 将MOF的孔隙结构用于药物递送，结合其催化性能实现化疗与光动力疗法的协同治疗。

4. 通过调控金属节点，开发具有抗菌活性的MOF，用于感染性伤口愈合的生物材料。

5. 利用MOF的稳定性与生物相容性，制备可穿戴式电化学传感器监测体内代谢物。

6. 借鉴其S-S键裂解机制，设计MOF基纳米探针用于检测细胞内硫化物水平的变化。

Oriented Assembly of 2D Metal‐Pyridylporphyrinic Framework to Regulate the Redox Kinetics in Li−S Batteries

Adv. Mater.（IF 27.4）

Pub Date  : 2025-03-18

DOI : 10.1002/adma.202501869

Yan Zhao, Ziyun Shang, Muti Feng, Hongxia Zhong, Yu Du, Weijie Chen, Yu Wang, Jiaxing Zou, Yulin Chen, Hai Wang, Ye Wang, Jia‐Nan Zhang, Gan Qu

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