近日，美国化学学会旗舰期刊ACS Nano刊发我校重质油国家重点实验室吴明铂教授团队在碳基复合储能材料领域的最新研究成果 《金属有机框架材料辅助合成具备高储锂性能的一维钼基化合物/碳复合材料》(Metal-Organic Frameworks Mediated Synthesis of One-Dimensional Molybdenum-Based/Carbon Composites for Enhanced Lithium Storage)。该工作提出了一种新型构筑高性能碳基复合储能材料的技术策略，对设计合成新一代电池电极材料具有重要的指导意义和参考价值。我校化学工程与技术专业2015级硕士研究生田巍为第一作者，吴明铂教授为通讯作者，中国石油大学（华东）为第一完成单位。
近年来，随着消费类电子产品和新能源汽车产业的迅猛发展，开发具有高能量密度、大倍率特性以及长使役寿命的锂离子电池已成为新能源领域的研究重点和热点。作为锂离子电池的关键材料，传统石墨负极性能已趋穹顶，基于石墨负极的锂离子电池性能已无法满足实际应用日趋增长的需求。因此，设计和开发新结构、高性能的锂离子电池电极材料成为了当前的迫切任务。过渡金属化合物具有远高于石墨电极的容量，但其导电性差以及明显的体积膨胀效应极大限制了其作为锂离子电池电极材料使用时的性能。将过渡金属化合物与纳米碳材料进行有机耦合，构筑具有分级多孔结构的杂化材料是从根本上提升其电化学性能的有效途径。但不同组分间表界面性质迥异，在微纳米尺度下如何能简单、高效地实现这些组分的均匀可控复合仍然充满挑战。
针对这一难题，吴明铂教授团队创新性地从金属有机框架材料（MOFs）出发，采用其与过渡金属氧化物原位自组装-热转化的技术策略，成功创制了多种具有优异储锂性能的钼基化合物/纳米碳复合材料。基于对MOFs在金属氧化物表面生长机理的深入探究，该团队利用表面活性剂等辅助手段精确调控了MOFs在金属氧化物表面的生长过程，实现了室温条件下对三氧化钼纳米棒前驱体的快速均匀包覆，并通过后续热处理等过程可控制备了具有分级多孔结构的氮掺杂纳米碳包覆多孔氧化钼/碳化钼纳米棒。具有多孔结构的活性物质能有效缓解储锂过程中的结构应力，极大提高了材料的使用寿命；均匀的纳米碳包覆则显著提高了材料的导电性。此外，壳层的金属有机框架材料可同时作为碳源前驱体和热解反应物，其在热解过程中的限域转化有效控制了活性物质的尺寸，赋予了复合材料优异的倍率特性。进一步动力学计算表明，复合材料电化学容量中赝电容贡献高，有望用于构筑高性能动力型锂离子电池。所制复合材料优异的电化学性能归因于合理的结构设计及不同组分间的协同耦合，为设计其他类型过渡金属化合物/碳基复合材料提供了新的设计思路。
此项工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等资助。
ACS Nano是化学和材料科学领域的顶级期刊之一，在国际上拥有广泛的影响力，其收录的文章主要分布在纳米科学与技术领域，对研究的原创性、结构的新颖性等有着极为严格的要求。2017年期刊的影响因子为13.942，在中科院JCR期刊分区中为1区TOP杂志。
文章全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b09175
