卜显和：从三维MOFs到二维储能材料

shiziwo

近年来，以MOFs为前驱体，通过焙烧等方式所形成的金属化合物、多孔碳以及二者的复合材料在电催化、储能等领域表现出良好的活性。然而，在这些材料中，MOFs的框架结构也随之崩塌，分子构型未能有效利用。二维MOFs材料的成功制备则有效解决了上述问题。相比于大多数块体MOFs，二维MOFs表现出更大的比表面积、更易接触的活性位点等优势，因而其作为前躯体制备的纳米材料具有更好的前景。最近的研究表明，一些具有层状结构的金属有机框架（MOFs）材料，可通过超声、引入表面活性剂等方式剥离成二维材料。但这只局限于某些具有二维结构的MOFs材料，且剥离后的产物产量较低。因此，如何利用三维MOFs构建二维材料仍具有挑战性。

如果在MOFs结构中，某一晶面内的配位键热稳定性明显弱于其他晶面的热稳定性，则在加热过程中弱方会率先崩塌，继而可能产生结构导向作用。鉴于此，南开大学卜显和教授课题组在多年来从事MOFs晶态材料研究的基础上（Angew. Chem., 2016, 55, 15027; Adv. Mater., 2017, 29, 1606966等等），基于MOFs不同晶面上配位键的热稳定性存在差异，在热解MOFs过程中充分利用该特征，导向合成了具有二维定向孔结构的复合材料（Small, 2018, 14, 1800639），该材料作为钠离子电池负极时展现出更优的倍率容量与循环稳定性。

在上述工作的基础上，最近卜显和教授课题组通过在三维晶体结构的MOF合成中引入苯甲酸钠以限制MOF沿某一方向的定向生长，进而合成出超薄二维MOF材料。此方法产率高、产量大，所合成的二维MOF厚度集中在5 nm左右，且剥离后的二维MOF材料仍可保持晶态结构。通过氨气气氛热解处理发现，MOF二维片层的刚性结构发生改变，形成二维片层交织的泡状多孔结构。进一步经酸溶液处理后，片层上生成的保护盐和金属颗粒被刻蚀掉，最终得到氮掺杂泡状碳箔（NC-1）。

该材料既具有丰富的孔和狭道，又具有可调节的氮掺杂活性位点。当作为钠离子电池负极材料时，在10 A g-1的大倍率下, 其比容量高达150 mA h g-1。在1.0 A g-1下循环1000圈后，比容量仍能保持初始的72.8%，性能远高于块体MOF衍生碳（BC-1）以及无氮活性位点的碳片材料（C-1）。

文章亮点主要包括以下几点：1）通过引入单齿配体盐实现了大产量、高品质的二维羧酸MOF的合成；2）利用高温下活性气氛与配体的相互作用创造了泡状孔结构；3）合成的具有泡状孔结构的氮掺杂碳箔作为钠离子电容器储能材料展现出优异的性质。总之，该工作为利用三维MOFs合成二维储能材料提供了新思路，也为后续MOFs热解衍生材料的孔道生成机理做出研究提供了科学依据。此工作发表在Advanced Energy Materials 上，第一作者为南开大学博士生孔令俊，通讯作者为卜显和教授。

Nitrogen-Doped Wrinkled Carbon Foils Derived from MOF Nanosheets for Superior Sodium Storage

Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801515