導語

近年來Li-S電池由於其具有高理論比容量（1675 mAh g-1）和高理論能量密度（2600 Wh kg-1）等優點受到了廣泛關注，並且因其超低的成本和豐富的硫儲量已被認可為是新一代電池技術的候選者之一。但是Li-S電池仍然存在著一些技術難點，比如S正極在充放電時形成的多硫化物（Li2Sn; n = 2-8）會導致嚴重的穿梭效應、Li+或者電解質傳遞引起的電池極化和鋰枝晶等。這些技術難點導致Li-S電池效能低、迴圈穩定性差以及各種電池的安全問題。這些難點中的大多數與隔膜的作用密切相關，研究新型高效能的隔膜材料對於Li-S電池的開發應用具有重要的價值和意義。

近日，華南師範大學/南京師範大學的蘭亞乾教授課題組提出了一種光誘導熱輔助加工法（PHAP），可以將MOF進行多維度加工製備成各種高分子複合器件（比如纖維、中空管、雙面中空管和雙層/三層膜等）。這一方法能夠同時結合高分子聚合物和MOF材料的優點，使得製備得到的多樣化器件材料具有出色的強度、柔韌性、相容性和自修復效能等。這其中透過多維度加工可以製備得到具有梯級孔道的高效能MOF基Li-S隔膜材料，基於這類隔膜材料組裝得到的Li-S電池具有高鋰離子傳導、多硫化物阻隔和低的電池極化等特性，表現出優異的電池效能。

圖1 Li-S電池應用中各種基於不同MOF孔道結構的隔膜的示意圖。（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

蘭亞乾教授課題組簡介

課題組自2012年底成立以來，主要致力於以團簇化學和配位化學為研究導向，設計合成結構新穎且穩定的晶態材料用於光、電、化學能等相關清潔能源領域的轉化與應用。研究內容涉及多酸（POMs）、金屬有機團簇（MOCs）、金屬有機框架（MOFs）以及共價有機骨架材料（COFs）的合成與應用。目前，課題組已在光電催化領域包括水裂解反應，CO2還原、氧還原反應（ORR）以及質子導電和固態電解質材料方面等取得一系列重要進展。相關研究在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、Chem、Chem. Soc. Rev.等國際知名期刊上發表論文200餘篇。團隊目前有導師4名，博士後7名，博士12名，碩士25名。

蘭亞乾教授簡介

華南師範大學/南京師範大學教授，博士生導師。長期致力於晶態材料在能源領域的應用探索。2009年獲得東北師範大學物理化學博士學位，2010-2012年日本學術振興會（JSPS）博士後，日本產業技術綜合研究所（AIST）關西中心外國人特別研究員。獨立工作後獲國家優秀青年科學基金、江蘇省“雙創團隊”領軍人才、江蘇省傑出青年基金、江蘇省“雙創計劃”高層次人才、江蘇省特聘教授等人才稱號。擔任Inorganic Chemistry、EnergyChem、Scientific Reports、結構化學、無機化學學報等期刊編委或顧問編委。近年來以通訊作者在Nat. Commun. (3)、J. Am. Chem. Soc. (7)、Angew. Chem. Int. Ed. (11)、Adv. Mater. (1)、Matter (2)、Chem (2)、Natl. Sci. Rev. (2)、JACS Au等期刊上發表通訊作者論文130餘篇。論文被他引14000多次， ESI高引論文22篇，個人H-index 63，2020年度科睿唯安 “高被引科學家”（化學）。

陳宜法副教授簡介

南京師範大學化學與材料學院副教授，碩士生導師。2018年獲得北京理工大學無機化學博士學位（導師：王博教授），2018年6月加入南京師範大學。獲得過北京市優秀畢業生，中國顆粒學會優秀博士生論文獎等。長期致力於金屬有機骨架材料的加工成型材料在能源和環境領域的應用探索。近五年來以一作和通訊作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Nano Energy、CCS Chem.、Science Bulletin等期刊上發表SCI論文20餘篇；主持國家、省部級等各類專案5項；擔任《聊城大學學報》青年編委，J. Am. Chem. Soc.、Inorg. Chem.、JMCA等期刊審稿人。

高廣闊博士研究生簡介

高廣闊，哈爾濱理工大學博士研究生，導師馬慧媛教授。2018年12月至今於南京師範大學化學與材料科學學院聯合培養，導師蘭亞乾教授。主要研究方向為MOF及多酸材料在Li-S電池隔膜及電解質領域的研究。目前，以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.， Adv. Sci.等學術期刊上發表SCI研究論文。

王藝蓉博士研究生簡介

王藝蓉博士，南京師範大學博士研究生（導師蘭亞乾教授）。主要研究方向是基於晶態材料的CO2電還原催化劑的製備及效能研究。目前，以一作和共一身份在Nat. Commun.，Angew. Chem.Int. Ed., Nano Energy, Adv. Sci., Science Bulletin等學術期刊上發表SCI研究論文。

王思博簡介

王思博，南京師範大學化學與材料科學學院2018級本科生，大一暑期進入蘭亞乾教授課題組學習，主要研究方向為MOFs基材料在鋰硫電池方面的應用。在老師及課題組其他成員的指導下參與大學生創新創業訓練專案，以共同第一作者發表論文：Angew. Chem.Int. Ed.（1篇）。

前沿科研成果：光誘導多維度加工製備高效能MOF基Li-S隔膜材料

華南師範大學/南京師範大學蘭亞乾教授課題組在晶態材料儲能及電池隔膜、固態電解質領域研究開展了多個開創性的工作。課題組研究開發了一種快速大批次製備MOFs基混合基質膜的方法，透過將MOFs前驅體與聚合物溶液混合刮塗結合微波輔助等加熱手段，可以實現最短5分鐘快速大批次製備MOFs基混合基質膜，該方法可以在實驗室條件下實現的~4米/批次，~100米/天的製備效率，具有產業化應用的前景。製備得到的膜材料既可以保留MOFs孔道，又同時具備優良的機械強度，是作為高效能的汙染物選擇性分離膜和Li-S電池隔膜材料（Adv. Sci., 2020, 7, 2002190）的極佳選擇。此外，課題組設計合成了一種錳基共價有機框架（TTCOF-Mn）材料，將其應用於高效Li-CO2電池正極催化劑（ACS Cent. Sci., 2021, 7, 1, 175–182）以及設計合成了基於多酸簇的電池固態電解質材料（Energy Storage Mater. 2020, 29, 172-181）。基於以上的研究基礎，課題組進一步聚焦於MOF混合基質膜材料在鋰硫電池中的應用。本工作透過將MOF進行多維度加工得到多種高分子複合器件（比如纖維、中空管、雙面中空管和雙層/三層膜等）。結合這種多維度加工方法可以製備得到具有梯級孔道的高效能MOF基Li-S隔膜材料，由這類隔膜材料組裝得到的Li-S電池具有高鋰離子傳導、多硫化物阻隔和低的電池極化等特性，表現出優異的電池效能。

圖2 透過光誘導熱輔助加工法制造的不同基於MOF的器件的表徵（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者利用這種光誘導熱輔助加工法可以將MOF加工成各種多維度器件（比如纖維、中空管、雙面中空管和雙層/三層膜等），擴充套件了MOF的加工形式，具有潛在的工業前景。

圖3 基於不同結構隔膜的Li-S電池效能研究（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基於這種光誘導熱輔助加工法，作者將兩種不同孔道結構的MOF材料進行多維度加工得到具有梯級孔道的三層隔膜材料並將其組裝得到Li-S電池。基於這類隔膜的電池表現出高的比容量（1365.0 mAh g-1）和良好的迴圈性質，具有比單層、雙層膜和商業化PP更好的效能。這項工作為MOF基多功能複合器件的製備和探索提供了新的策略。

該工作近期發表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002 / anie.202016608）上，哈爾濱理工大學博士生高廣闊，南京師範大學博士生王藝蓉和南京師範大學本科生王思博共同第一作者。通訊作者為蘭亞乾教授和陳宜法副教授（論文作者: Guang-Kuo Gao, Yi-Rong Wang, Si-Bo Wang, Ru-Xin Yang, Yifa Chen*, Yu Zhang, Cheng Jiang, Mei-Jie Wei, Huiyuan Ma & Ya-Qian Lan*）。研究工作得到了國家自然科學基金（No. 21871141, 21871142, 21701085 和 21901122）和江蘇省自然科學基金（BK20171032）等專案的支援。