金屬-有機框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs），由于有序且可設(shè)計的孔結(jié)構(gòu)以及超高的比表面積，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，在氣體吸附、存儲、催化、儲能、環(huán)境治理等領(lǐng)域均展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景，近年來成為最受歡迎的明星材料之一。
生態(tài)化工國家重點實驗室培育基地王磊教授團隊在MOFs及其衍生材料能源催化領(lǐng)域做了很多創(chuàng)新性的工作，在國內(nèi)率先把MOFs與無機黏土復(fù)合，擴大了無機黏土在光解水產(chǎn)氫方面的應(yīng)用范圍（Appl. Catal. B: Environ.2020, 268, 118739，IF：20.2，ESI高被引論文）；開辟了MOFs基異質(zhì)結(jié)原位衍生肖特基結(jié)/半導(dǎo)體光催化劑的新方法（Appl. Catal. B: Environ. 2019, 246,7 2，IF：20.2，ESI高被引論文）；借助MOFs的大比表面積，復(fù)合可見光相應(yīng)強的氮化碳半導(dǎo)體，獲得具有緊密異質(zhì)接觸界面的復(fù)合材料，縮短載流子傳輸距離（Appl. Catal. B: Environ. 2019, 241, 178，IF：20.2，ESI高被引論文）；后負載納米顆粒、原位衍生多元金屬磷化物，構(gòu)建肖特基結(jié)，利用異質(zhì)界面電勢差實現(xiàn)了載流子的快速分離，提高了其在光催化反應(yīng)中的利用率，提高了光催化分解水產(chǎn)氫性能，開拓了MOFs衍生多元異質(zhì)界面工程方向（Appl. Catal. B: Environ. 2017, 219, 101，IF：20.2，ESI高被引論文），近期在Li-S電池應(yīng)用又有新進展。
Li-S電池有望實現(xiàn)2600 Wh kg-1的超高理論能量密度，這涉及放電時多電子還原S為固體Li2S，并在充電時固體Li2S反向氧化為S（2Li + S ? Li2S）。然而，可溶性多硫化鋰的穿梭效應(yīng)及緩慢的氧化還原動力學(xué)導(dǎo)致Li-S電池快速的容量衰減、低庫侖效率、較差的循環(huán)壽命。王磊教授團隊將導(dǎo)電的六方鈷有機框架(Co-HTP)納米片原位錨定在羧基石墨烯(CG)基底上，并將其作為宿主催化劑來調(diào)節(jié)多硫化物的氧化還原。通過大量表征表明，四邊形Co-N4單元的局部配位環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休S向Co-O配位的不對稱五配位O-Co-N4，這引發(fā)了自旋極化和Co 3d軌道顯著的電子離域。O-Co-N4位點較高的自旋態(tài)和較低的局域電子密度誘導(dǎo)了Co-HTP/CG中更多的活性電子態(tài)，并促進了與多硫化物的軌道雜化，形成更穩(wěn)定的鍵序。這種優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)顯著加快了氧化還原動力學(xué)，增強了對多硫化物的吸附強度。這使得基于Co-HTP/CG的鋰硫電池具有較高的可逆容量、驚人的倍率性能和超過500次的長循環(huán)性能。這項工作將豐富調(diào)節(jié)先進Li-S電池和其他電催化劑的自旋電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念。該研究工作以“Metal-Organic Frameworks with Axial Cobalt-Oxygen Coordination Modulate Polysulfide Redox for Lithium-Sulfur Batteries”為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上，影響因子24.4。
圖1. (a) Co-HTP/CG的形成過程示意圖。(b) Co-HTP/CG的XRD圖譜和Rietveld精修。(c,d) Co-HTP/CG的TEM圖像。(e,f) Co-HTP/CG的HRTEM圖像。(g) Co-HTP/CG的HAADF-STEM和元素分布圖像。
多年來王磊教授帶領(lǐng)團隊在MOFs及其衍生物材料的合成及其應(yīng)用領(lǐng)域深耕近20年，主持相關(guān)方面的國家基金十余項，在相關(guān)材料的定向設(shè)計與組裝、催化機理研究、儲能過程控制以及器件組裝方面均做出了突出貢獻，在本領(lǐng)域具有重要的影響力。同時在青島組織了多次關(guān)于新能源技術(shù)的相關(guān)國際會議，促進了廣泛的學(xué)術(shù)交流，為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻。根據(jù)王磊教授團隊多年來的的相關(guān)工作，以及國際期刊上報道的MOFs及其衍生物材料在能源存儲和環(huán)境領(lǐng)域的杰出工作，近日王磊教授撰寫了《MOFs及其衍生材料在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用》專著一書，全書72萬字，分為九章，由《科學(xué)出版社》出版。該書系統(tǒng)介紹了MOFs及其衍生材料在氣體存儲、光催化、電催化、超級電容器、電池、大氣污染控制、水處理以及海水資源提取等領(lǐng)域的應(yīng)用。希望該書不僅可以起到良好的科普作用，助力本領(lǐng)域的年輕工作者和廣大研究生對MOFs 及其衍生材料的理解，同時該書介紹的一些MOFs 合成及處理策略以及材料結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系可以給相關(guān)從業(yè)人員啟迪，推動我國能源與環(huán)境領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展。
