近年来，得益于镁的低成本和高理论比容量，可充电镁电池作为“后锂离子时代”的候选储能技术受到研究者的广泛关注。然而，镁电池的发展依然面临诸多挑战，其中之一是缺乏合适的正极材料来配合镁金属负极实现预期的高容量。镁离子较高的电荷密度使其在大多数晶体材料的晶格中面临较高的扩散势垒，难以通过脱嵌实现有效的可充电性能。为解决这一问题，一种方法是采用转换型正极材料，如硫、氧气、卤素和有机材料。这些材料虽然具备稳定的氧化还原行为和较快的动力学，但同时也带来了小分子活性材料应用过程中的常见问题，包括穿梭效应和自放电等。
近日，波士顿学院的王敦伟教授和黄吉尔教授合作，以常见的二维金属有机框架材料（2D-MOF），Cu-HHTP作为研究平台，利用分子改装策略向配体中引入具备氧化还原活性的硫官能团。经过配位组装后得到的新型正极材料（Cu-S5HHTP）在镁电池体系中表现出高比容量和优异的循环稳定性。
研究中，作者观察到Cu-S5HHTP在电化学循环中需经历活化过程，期间材料出现明显的结构转变。其中，材料本征的长程有序性被打破，但其配位环境保持完好。这种转变后的非晶结构有利于镁离子的迁进迁出，实现了稳定的可充电性能。
机理研究表明，材料中均匀分布的硫官能团具备可逆的氧化还原活性，提供了额外的镁离子储存位点。同时，硫官能团与[CuO4]配位点协同实现电荷储存。这种协同作用能够提高材料内部配位环境在放电条件下的稳定性，进而保持材料在循环过程中的电化学活性。
该工作展示了一种通过将硫共价锚定到2D-MOF中的新策略，用于开发高性能的可充电镁电池正极材料，为稳定2D-MOF在镁电池电化学能量储存中的应用提供了新的解决思路。
论文信息
Sulfurized Two-Dimensional Conductive Metal–Organic Framework as a High-Performance Cathode Material for Rechargeable Mg Batteries
Yu Mu, James Nyakuchena, Yang Wang, James R. Wilkes, Tongtong Luo, Michael Goldstein, Brooke Elander, Prof. Udayan Mohanty, Prof. Junwei Lucas Bao, Prof. Jier Huang, Prof. Dunwei Wang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202409286
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