武漢理工麥立強教授&許絮副教授Chem. Eng. J. ：原位生長金屬-有機骨架修飾的電紡

DOI:10.1016/j.cej.2020.124979

由于可溶性多硫化鋰的存在，因此對于鋰硫（Li-S）電池隔膜的要求要遠高于鋰離子電池，因此，開發功能性隔膜是鋰硫電池的重要研究方向之一。

近日，武漢理工大學麥立強教授、許絮副教授（共同通訊作者）等在Chem. Eng. J.上發表了題為“A Robust Electrospun Separator Modified with in situ Grown Metal-Organic Frameworks for Lithium-Sulfur Batteries”。本文中，研究者基于靜電紡絲技術和低壓化學氣相沉積構筑了一種雙層MOF-PAN/rGO-PAN納米纖維薄膜，可直接用于Li-S電池隔膜。文中指出，相比于傳統的液相法，采用低壓化學氣相沉積法可以在不影響納米纖維薄膜結構和性質的情況下原位修飾MOF。這一功能隔膜對于鋰硫電池具有一系列積極作用：首先，通過低壓化學氣相沉積原位生長的MOF顆粒緊密地附著在納米纖維的表面上，這些暴露的顆粒可以最大程度地利用化學吸附來捕獲多硫化物；其次，rGO-PAN層對鋰負極也具有一定的保護作用，當鋰離子穿過存在于PAN納米纖維薄膜之間的石墨烯時，石墨烯層會重新調整鋰離子的遷移路徑，從而實現鋰離子在負極的均勻沉積，在一定程度上可以抑制鋰枝晶的生長。利用這種新型功能性隔膜組裝的Li-S電池，可在0.5 C時可提供高達1302 mAh g-1的初始容量。在5 C的大電流密度下，循環600圈后，容量衰減率僅為0.03％每圈；更重要的是，即使在硫負載量高達7.7 mg cm-2的情況下，Li-S電池在循環50圈后仍能保持7.8 mAh cm-2的面容量。另外，基于PAN的功能性隔膜不僅具有良好的離子電導率，同時由于本身的多孔結構，使得其單位面積質量僅為0.5 mg cm-2,遠低于商業化聚丙烯（PP）隔膜（1.4 mg cm-2）, 該工作對于開發安全穩定、高能量密度的鋰硫電池具有重要意義。

圖1.（a）用于Li-S電池的多功能電紡MOF-PAN/rGO-PAN隔膜示意圖；（b-g）MOF-PAN/rGO-PAN的形貌表征，（b，c）SEM圖像；（d，e）TEM圖像和（f，g）HRTEM圖像；g的插圖是紅色部分的放大圖。

圖2. 電解液接觸角測試（a）MOF-PAN/rGO-PAN薄膜；（b）PP隔膜；（c，d）PP隔膜和MOF-PAN/rGO-PAN薄膜的DSC和TGA曲線；（e，f）經100℃熱處理前后的PP、PAN、PAN/rGO-PAN、MOF-PAN/rGO-PAN薄膜。

圖3.（a）不同隔膜組裝的Li-S電池的開路電壓曲線；（b-d）MOF-PAN/rGO-PAN、PAN/rGO-PAN和PP隔膜的鋰離子遷移數。

圖4.（a）不同隔膜組裝的Li-S電池的倍率性能；（b）不同隔膜組裝的Li-S電池在0.5 C下的恒電流充電/放電曲線；（c）不同隔膜組裝的Li-S電池在1 C下循環100圈的循環性能；（d）MOF-PAN/rGO-PAN隔膜組裝的Li-S電池在5 C下循環600圈；（e）高負載性能測試。

圖5.利用雙L裝置進行多硫化物滲透實驗（a）PP；（b）PAN/rGO-PAN和（c）MOF-PAN/rGO-PAN隔膜；（d）ZIF-67不同方向的DFT分子骨架；（e）Li2Sn和S8與ZIF-67結合的優化構型。

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程學院院長，教育部“長江學者特聘教授”（2016），國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”領軍人才入選者，英國皇家化學學會會士，國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員。2004年在武漢理工大學獲工學博士學位，隨后在美國佐治亞理工學院（2006-2007）、哈佛大學（2008-2011）、加州大學伯克利分校（2017）從事博士后、高級研究學者研究。

主要研究方向為納米儲能材料與器件。構筑了國際上第一個單根納米線固態儲能器件，創建了原位表征材料電化學過程的普適新模型，率先實現了高性能納米線電池及關鍵材料的規模化制備和應用。目前已發表包括Nature、Nature Nanotechnol.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在內的SCI論文300余篇，SCI他引16800余次；獲授權國家發明專利100余項。在美國MRS、ACS、ECS等重要國際會議做大會報告、主旨報告、特邀報告70余次。作為大會主席組織Nature能源材料會議、第十屆中美華人納米論壇等重要國際會議10余次。主持國家重大科學研究計劃課題、國家自然科學基金重點項目等30余項。獲國家自然科學獎二等獎（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科學家（2019）、教育部自然科學一等獎（第一完成人，2018）、英國皇家化學會中國高被引作者（2017）、第十四屆中國青年科技獎（2016）、第十一屆光華工程科技獎青年獎（2016）、湖北省自然科學一等獎（第一完成人，2014）、侯德榜化工科學技術獎青年獎（2016）、國際電化學能源科學與技術大會卓越研究獎（EEST2018 Research Excellence Awards）（2018）、中國產學研合作創新獎（2016），入選“國家百千萬人才工程計劃”，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。任Adv. Mater.、Chem. Rev.客座編輯，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small國際編委，Nano Res.、Sci. China Mater.編委。