西湖大学徐宇曦团队: 3D 石墨烯-MOF 复合材料用于电化学储能和转换

研究背景

可持续能源的开发利用已逐渐成为人们迫切关注的问题。锂离子电池（LIBs）和超级电容器（SCs）等电化学能量存储和转换系统已成为当前最重要的研究领域之一。其中，先进的电极材料是开发新型高效电化学储能与转换装置的关键。

近年来，三维石墨烯/金属有机骨架（3DG/MOF）复合材料以其独特的层叠多孔结构和优异的物理化学性能在能源领域受到越来越多的关注。3DG 与 MOF 的结合不仅可以有效克服 MOF 导电性差、稳定性低的局限性，而且可以有效防止石墨烯片间的聚集。此外，3DG/MOF 复合材料还可以衍生出结构和组成可调节的多种材料体系，从而扩大了其在电化学领域的应用。

文章简介

在此，西湖大学徐宇曦团队综述了近年来 3DG/MOF 复合材料在电化学储能和转换方面的应用，在 Chemical Communications (2023 Pioneering Investigators 专刊）上发表“Three-dimensional graphene/metal-organic framework composites for electrochemical energy storage and conversion” (《三维石墨烯/金属有机框架复合材料应用于电化学储能和转换》），并选为封面文章 (Back Cover)。

基于 3DG 和 MOF 的协同作用，以及 3DG/MOF 复合材料作为电极材料在电化学储能和转换领域显示出潜在的优势，作者首先系统介绍了可用于制备不同结构（如气凝胶、水凝胶、泡沫、海绵）的 3DG/MOF 复合材料（如物理混合和原位生长）及其衍生物（如煅烧和微波辅助热转化）的合成策略，并针对各合成方法的优缺点进行了讨论。通过 MOF 类型的改变以及 3DG 和 MOF 结合形式和后处理工艺的有效调控，可有效调节 3DG/MOF 复合材料及其衍生物的组成、孔结构、微观形貌等固有组成结构特征。

此外，该综述对 3DG/MOF 复合材料及其衍生物在电池、超级电容器和电催化方面的应用做了详细的介绍。

最后，文章对 3DG/MOF 复合材料及其衍生物目前仍面临的挑战和未来的发展进行了讨论与展望。包括：

• 开发并拓展组成结构可控的 MOF 种类；
• 制备有序多孔 3DG/MOF 复合材料及其衍生物；
• 探索具有强界面相互作用的 3DG/MOF 基复合材料以提高其电化学性能；
• 大规模合成超小单分散功能 MOF 纳米晶体；
• 结合先进的表征技术与理论计算探究 3DG/MOF 基复合材料的结构与性能之间的关系。

相信随着新材料的设计、制备和表征的不断进步， 3DG/MOF 复合材料及其衍生物在电化学储能和转换方面将展现出广阔的前景。

论文信息

Three-dimensional graphene/metal-organic framework composites for electrochemical energy storage and conversion

Yumei Ren, and Yuxi Xu*（徐宇曦，西湖大学）

Chem. Commun., 2023, 59, 6475-6494

https://doi.org/10.1039/D3CC01167D

作者简介

徐宇曦 研究员
西湖大学

徐宇曦，西湖大学研究员，博士生导师。在武汉大学获得学士学位（2007），在清华大学获得博士学位（2011）。之后，在华盛顿大学、加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。于 2015 年 7 月加入复旦大学，后于 2019 年 4 月加入西湖大学。研究兴趣致力于新型高分子和石墨烯等低维功能材料的化学制备、可控组装复合及其在能源、催化和环境中的应用。