近日，我校广西光储直柔工程研究中心在“光储直柔”关键储能技术领域取得重要进展。由钟胜奎教授团队主导，联合中国海洋大学、深圳大学合作完成的研究论文“Unlocking Superior Conductivity in MOF Electrodes via a MXene-Activated Electronic Inversion Layer”（MXene激活的电子反转层解锁MOF电极的优越电导率）在能源材料领域的SCI一区顶级期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子：26.8）正式发表。
该论文聚焦储能电极材料关键科学问题，其核心实验工作均在我校广西光储直柔工程研究中心平台上完成，第一作者为钟胜奎教授指导的博士生张志远博士（中国海洋大学）。此项成果的发表，标志着我校在储能材料前沿与技术创新方面取得重要进展，充分展示了中心在储能科研攻关与跨校协同育人方面的显著成效，也为该平台在“储”这一关键方向上的持续建设与发展提供了有力支撑。
【文章信息】
MXene激活的电子反转层解锁MOF电极的优越电导率
第一作者：张志远
通讯作者：钟胜奎*，王任衡*
【研究背景】
由于金属有机框架（MOFs）的多孔结构和高比表面积，在储能和催化领域展现出了非凡的潜力。然而，导电率差引起反应动力学缓慢使其在充放电过程中存在严重的极化以及锂离子损失，从而使其实际与理论储锂能力之间存在巨大差距。虽然引入导电元素在一定程度上能够增强MOFs的导电性，但有机基团的存在限制了这一提升。相比之下，将MOF与导电材料如MXene和石墨烯合成似乎更有效，通过改善表面电导率提升材料的电化学性能。然而，这种方法难以改变MOFs的缓慢本征动力学。为了应对这一关键瓶颈问题，该研究提出了一种通用型的电子反型层构建策略，使得MIL-53(Fe)的电导率得到了数量级的提升。结合实验和计算，在功函数差的驱动下，大量的电子被注入到MIL-53(Fe)表面，导致表面载流子类型反转，使得复合材料的导电率接近金属。同时电子反演层实现了离子和电子的快速传递，使复合材料性能优于其组成部分，达到了“1+1＞2”的效果。此外，电子反演层降低了极化，促进了稳健、均匀且紧凑的SEI形成，确保了周期中的稳定性。这项研究对推动MOF、COF、半导体和绝缘材料在能源科学领域的发展做出了重要贡献。
【文章简介】
电子反型层的构建机制及其对储锂性能的影响
1.基础知识介绍
金属有机框架（MOF）由金属离子与有机配体构成，其独特的结构赋予其类半导体的电子特性。半导体的导电能力主要取决于内部可移动的电荷载体——即“载流子”，主要包括电子与空穴。一般而言，以电子为主要载流子的n型半导体，其导电性往往优于以空穴导电为主的p型半导体。因此，向MOF中有效注入电子，成为提升其电导率的一条根本途径。对于p型MOF而言，若能实现大量电子注入，其表面区域的载流子主体将从空穴转变为电子，这一现象被称为“电子反型”，形成的区域即电子反型层（EIL）。更重要的是，这种电子注入在深度上存在梯度：表面电子浓度最高，并向体相逐渐衰减。这种浓度分布自然地在材料次表面处形成一个p-n结，其伴随的内建电场可与体相中的载流子梯度协同作用，为离子传输提供强大驱动力，从而全面提升材料的电荷传导与离子扩散能力。基于上述原理，本研究选择典型的p型MOF——MIL-53(Fe)作为模型材料，并选用表面富含负电荷的二维材料Ti3C2Tx（MXene）作为电子供体。通过巧妙的界面设计，使MXene将电子高效注入MIL-53(Fe)表面，成功构筑出具有n型半导体特性的电子反型层。这一策略为攻克MOF材料本征电导率低的瓶颈，提供了一种新颖而有效的解决方案。
2.研究内容
本研究通过一套环环相扣、从结构到性能的完整表征体系，系统地验证并阐述了电子反型层（EIL）的构建与功效。首先，本研究借助TEM直观证实了MXene对MIL-53(Fe)的成功包裹，为后续界面效应研究奠定基础。进而，通过DFT理论计算预测了EIL形成的电子转移机制，并结合莫特肖特基测试与KPFM，从能带结构与表面电势角度提供了实验证据，共同确凿证明了EIL的存在。其次，本研究利用弛豫时间分布（DRT） 与恒电流间歇滴定技术（GITT） 等电化学动力学分析，揭示了EIL如何通过改善电荷传输与离子扩散，从而直接提升复合材料的比容量。进一步地，通过分析充放电电位差与TOF-SIMS等结果，阐明了EIL在缓解电极极化、诱导形成稳定SEI膜方面的关键作用，这共同构成了循环稳定性大幅提升的核心机制。最后，通过原位红外等技术，研究深入分析了锂离子在EIL调控下的储存行为。同时通过组装全电池进行性能测试，将材料层面的优势转化为器件级别的实用化验证，完整地论证了该策略的有效性与应用潜力。
MIL-53(Fe)（a）和MIL-53(Fe)@Ti3C2Tx （b）的导电式原子力显微镜 。（c）粉末电导率。（d）莫特肖特基曲线。MIL-53(Fe)（e）和Ti3C2Tx（f）的表面功函数。MIL-53(Fe)@Ti3C2Tx的能量色散X射线扫描示意图（f）及测试结果（g）
3.核心结论
本研究介绍了一种普适性的电子反型层（EIL）构建策略，通过在MIL-53(Fe)表面可控注入电子，成功解决了MOF材料本征电导率低的瓶颈问题。理论计算与实验表征共同证实，在界面功函数差驱动下，MXene（Ti3C2Tx）作为电子供体，成功诱导MIL-53(Fe)表面载流子类型发生反转，使其电导率获得近金属级的提升。性能提升机制在于，EIL协同其所诱导的p-n结内建电场及体相载流子梯度，构建了高效的离子-电子协同传输网络。这使得材料的锂离子存储容量在0.1 A/g电流密度下从464.3 mAh/g显著提升至717.1 mAh/g。同时，优化的界面动力学有效抑制了电极极化，并促进形成稳定、均一的固态电解质界面膜，从而大幅提升了长循环稳定性。该工作不仅为MIL-53(Fe)提供了性能优化的创新方案，更为广泛存在的低电导率材料（如MOF、COF及各类半导体）提供了一种通用的界面电学调控思路，在储能、电催化等领域展现出重要的应用前景。
（a）由GITT得到的锂离子扩散速率，锂离子迁移能垒的示意图（b）及其计算结果（c），（d）弛豫时间分布，（e）0.1A/g下的循环-比容量图，（f）不同电流密度下的倍率性能，（g）大电流密度下的循环-比容量测试结果，（h） MIL-53(Fe)@Ti3C2Tx与其他MIL-53（Fe）系列复合材料及MOF@MXene复合材料的比较。
【文章链接】
Unlocking Superior Conductivity in MOF Electrodes via a MXene-Activated Electronic Inversion Layer
https://doi.org/10.1002/aenm.70713
一审一校丨黄宝龙
二审二校丨傅祥威
三审三校丨秦培林
校 历