One-Dimensional π–d Conjugated Conductive Metal–Organic Framework with Dual Redox-Active Sites for High-Capacity and Durable Cathodes for Aqueous Zinc Batteries

氧化还原 材料科学 阴极 水溶液 法拉第效率 化学工程 溶解 铜 金属有机骨架 无机化学 电化学 电极 化学 有机化学 吸附 冶金 物理化学 工程类
作者
Zhiyuan Sang,Jiaxin Liu,Xueqi Zhang,Lichang Yin,Feng Hou,Ji Liang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 3077-3087 被引量:129
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c11974
摘要

Aqueous Zn-based batteries (ZIBs) possess huge advantages in terms of high safety, low cost, and environmental friendliness. However, the lack of suitable cathodes with high-capacity, long-cycling, and high-rate capability limits their practical application. Herein, we present a highly crystalline one-dimensional π–d conjugated conductive metal–organic framework by coordinating ultrasmall 1,2,4,5-benzenetetramine (BTA) linkers with copper ions (Cu-BTA-H), as a cathode for ZIBs. The large ratio of active sites and dual redox mechanism of Cu-BTA-H, including the one-electron-redox reaction over copper ions (via Cu 2+ /Cu + ) and the two-electron-redox reaction over organic ligands (via C═N/C–N), effectively enhance its reversible capacity. Meanwhile, the abundant porosity, small band gap, high crystallinity, and stable coordination structure of Cu-BTA-H endow it with fast ion/electron transport and effectively hinder the dissolution of organic ligands during cycling, respectively. Consequently, Cu-BTA-H possesses a high reversible capacity of 330 mAh g –1 at 200 mA g –1 and excellent rate performance and long-cycle stability, with a high capacity of 106.1 mAh g –1 at 2.0 A g –1 after 500 cycles and a high Coulombic efficiency of ∼100%. The proposed conductive MOFs with dual redox-active sites provide an efficient approach for constructing fast, stable, and high-capacity energy storage devices.
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