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 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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