Utilizing MOFs Melt-Foaming to Design Functionalized Carbon Foams for 100% Deep-Discharge and Ultrahigh Capacity Sodium Metal Anodes

材料科学 阳极 金属有机骨架 化学工程 热解 碳纤维 退火(玻璃) 纳米技术 金属 吸附 电极 复合材料 冶金 化学 有机化学 复合数 物理化学 工程类
作者
Peng Liu,Simin Zhao,Shengyong Gao,Liting Yang,Kuan Fang,Yibo Zhu,Hongqing Niu,Xiaolong Jia,Jisheng Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (1): 1577-1587 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14884
摘要

Meltable metal-organic frameworks (MOFs) offer significant accessibility to chemistry and moldability for developing carbon-based materials. However, the scarcity of low melting point MOFs poses challenges for related design. Here, we propose a MOFs melt-foaming strategy toward Ni single atoms/quantum dots-functionalized carbon foams (NiSA/QD@CFs). Melt-foaming highly depends on two factors: flexible metal-phosphorus bonds with cage-like ligands bridged in a zipper configuration via hydrogen bonds, facilitating MOFs conformational melting below 200 °C, and high annealing rates that lead to MOFs foaming by reducing the energy barrier and enhancing the pyrolysis enthalpy. When used as hosts for sodium metal anodes, foam structure regulates metallic Na to preferentially deposit inside the pores, while Ni SA and QD synergistically enhance Na absorption. Consequently, NiSA/QD@CF electrodes exhibit stable cyclic performance for 1000 h in symmetrical cells, with a low hysteresis voltage of 98 mV at 100 mA/cm2, 100 mAh/cm2, and 100% depth of discharge. Moreover, both full cells and anode-free ones exhibit excellent rate and cyclic performances. This strategy enriches the liquid MOFs family and their applications in mild-processing CFs for electrochemical energy storage.
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