浙江大學陳志杰課題組JACS：具有復雜合并網絡的金屬有機框架的合成及其鋰離子傳導性能研究

發展兼具高離子電導率與高穩定性的無機-有機雜化固態電解質，是推動固態鋰金屬電池走向實際應用的一個有前景的發展方向。金屬-有機框架（MOF）由金屬節點和有機配體通過強配位鍵構建而成，代表了一類新興的固態電解質材料，有效地彌合了無機和聚合物體系之間的差距。此外，基于MOF的固態電解質具有結構多樣性、高度可調的孔道環境和位點功能化的能力，特別是通過將陰離子基團錨定在金屬簇上，顯著促進鋰離子傳導。

近日，浙江大學化學系陳志杰研究員課題組報道了一種陰離子型鋅-氮唑基金屬有機框架（Zn-TBTB）的網格化學組裝。該MOF具有籠中籠結構，并呈現出復雜的(3,6,6)-連接的pco合并網絡。這種合并網絡的結構特性賦予了Zn-TBTB高的電化學穩定性以及模塊化的混合陰離子配位的孔道環境，從而實現了高電壓窗口和低溫鋰離子傳導。相關成果以“Reticular Assembly of Complex Cage-within-Cage Merged-Net MOFs for Lithium-Ion Conductivity”為題，發表在Journal of the American Chemical Society上。

圖1. Zn-TBTB的組裝示意圖及pco拓撲網絡的產生

設計并合成了一種三連接的苯基三苯并三氮唑配體。單晶X射線衍射分析表明，該材料結晶于立方晶系（空間群F3c），拓撲結構基于（3,6,6）連接的pco合并網絡，是一種基于pcu-b網絡和bor網絡合并而來，這是該拓撲網絡首次在MOF中被實驗構筑。

圖2. Zn-TBTB-Li的離子傳導性能

Zn-TBTB獨特的籠中籠結構和復雜的pco合并網絡賦予了Zn-TBTB良好的熱穩定性、化學穩定性和水穩定性。通過PXRD、N2吸附表征手段，證實Zn-TBTB的穩定性。這種多組分合并網絡框架不僅提供穩定的框架結構，還為鋰離子傳導提供了模塊化的混合陰離子配位的孔環境。通過進一步鋰離子交換獲得Zn-TBTB-Li。多種表征手段（PXRD、XPS、ICP、NMR、N2吸附等）共同證實，交換過程在保持框架完整性的同時，實現了鋰離子成功地交換到Zn-TBTB的陰離子骨架的孔道中。Zn-TBTB-Li材料在25℃下的平均離子電導率為1.84×10-4 S cm-1，在-5℃下為6.13×10–5 S cm–1，活化能為0.27 eV。

圖3. 基于Zn-TBTB準固態電解質的鋰金屬電池性能測試

組裝準固態鋰金屬電池顯示良好的倍率性能。在25 ℃下，經過200次充放電循環后，準固態鋰金屬電池具有高容量保持率（85%）和高庫侖效率（99.7%）。在0.5 °C下，經過200次循環后，其放電容量為62 mAh g-1。這些結果表明，Zn-TBTB-Li具有良好的耐溫性和穩定性。

綜上所述，本研究工作發展了具有合并網絡結構的MOF在固態電解質的應用，這種多組分合并網絡框架提供了一個穩定的結構平臺和具有模塊化混合陰離子配位的孔道環境，實現高效的鋰離子傳導。

該論文的第一署名單位為浙江大學化學系，陳志杰研究員為通訊作者，博士生熊彰熠為本文的第一作者。課題組研究生顧梁、翟夢陽、曹泓昊、張湘川蘭和本科生章怡楠、曹杜一共同參與完成該課題。分析測試平臺的劉繼永老師、施蒂兒老師、高李娜老師提供測試幫助。本工作得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等資助。

論文詳情：Zhangyi Xiong, Liang Gu, Mengyang Zhai, Honghao Cao, Yinan Zhang, Xiangchuanlan Zhang, Duyi Cao, Zhijie Chen*，Reticular Assembly of Complex Cage-within-Cage Merged-Net MOFs for Lithium-Ion Conductivity. J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c02393.

作者簡介

熊彰熠，浙江大學化學系2023級博士研究生。主要研究方向為功能晶態多孔材料的設計合成及離子電池性能研究，入學以來，以(共同)第一作者發表Journal of the American Chemical Society（2篇）、CCS Chemistry（1篇）、ACS Central Science（1篇）、Chemical Engineering Journal（1篇）。主持2026年度浙江省應用基礎研究計劃“新苗”項目（博士生項目）。

課題組/導師主頁: https://person.zju.edu.cn/zhijiechen