01【导读】

分级金属有机框架（MOF）因其增强的多样性和对内部序列和结构的控制而引起了极大的关注。分级MOFs不同形态的可控合成和多尺度调控在实际应用中至关重要。分级MOF的研究为提高电化学储能器件的性能做出了突出贡献，并大大提高了其循环性能和电容。

02【成果掠影】

近日，扬州大学庞欢教授等人发表了评述性论文，重点对零维、一维、二维等形式的多级MOF及其衍生物在电池、超级电容器和电催化等电化学领域的合成方法、形貌和应用进行了综述。基于理论知识和实验经验，作者提出了基于分层MOF的电化学储能与转换装置的未来发展方向。

相关综述文章以“Applications of hierarchical metal–organic frameworks and their derivatives in electrochemical energy storage and conversion”为题发表在Journal of Energy Storage上。

03【核心内容】

MOF材料因其多孔结构和可调节的化学成分而备受公众关注，但其尺寸和化学成分的变化对MOF材料的性能有着至关重要的影响。低维MOFs（零维纳米粒子、一维纳米线和纳米棒、二维纳米片）容易堆积，而且MOF本身稳定性和导电性较差，影响其在电化学中的应用。

MOFs基本分子构件的灵活性为结构构建提供了良好的平台。一般来说，MOF可以形成三种超结构：分级孔隙度、分级结构和分级组合。基本的 MOF 模块可以按照一定的顺序构建成更复杂的结构。此外，MOF的孔隙率、化学成分等性质可以按一定顺序组合，形成性能更好的材料。因此，制备的多级MOF及其衍生物具有丰富的活性位点、巨大的比表面积和多种离子分散通道，有利于提高电导率和快速电子转移。同时，具有分级孔结构的MOF具有微孔和介孔结构，更有利于电解质和电子的转移，并具有适应体积膨胀的能力。更重要的是，分级结构与其他种类的导电材料（如碳纳米管和石墨烯）的结合能够将多种功能集成到单层复合结构中，进一步增强材料的性能。综述中，作者评述了多级MOFs及其衍生物在电化学应用中的一系列相关研究进展，总结了基于0D、1D、2D等结构单元构建多级结构的综合策略，以及多级MOF的应用讨论了其在电池、超级电容器和电催化电极材料中的衍生物。

这些结果预示着分级MOFs及其衍生物在许多电化学领域展现出良好的发展前景。然而，仍有一些问题需要解决。(1) 多级MOF及其衍生物的合成机制尚不成熟，难以准确预测假设的新型MOF及其可能的化学和电子性质。同时，在保持结构均匀性的同时，大规模制备多层次MOFs的技术需要进一步发展。因此，在反应设计中必须考虑反应物扩散和温度控制。(2)在电化学应用中，特别是在电池和超级电容器中，多级MOF及其衍生物仍有很大的发展潜力。与零维纳米粒子和二维纳米片相比，基于一维结构单元构建的分级MOF及其衍生物较少。也许是因为一维结构在实践中难以操作。一种有用的方法可能是设计一个易于操作的基本一维MOF。(3) 构建更合理、更复杂的分层MOFs及其衍生物已成为该材料发展的重点。近年来，研究人员通过构建更复杂的 MOF 结构和创建由纳米晶体组成的高阶介观超结构，在控制 MOF 的物理形态方面取得了重大进展。这种分层MOF结构可以分为四个维度：（a）0D结构，由中空微球或胶囊组成；(b) 一维结构，如纳米纤维或纳米棒；(c) 具有晶圆薄膜的 2D（膜-2D）结构。所有这些类型的上层结构都是为了丰富金属材料固有的微孔的材料特性而设计的，可以通过选择合适的上层结构尺寸来形成。在最新研究中，通过将MOF前驱体依次浸入两种转化溶液中，成功实现了MOF晶胞-纳米片-中孔-微立方体的分级四元结构，展示了从纳米级到中级到微米级的清晰层次结构。本研究启发我们，在未来的发展中，MOF 的层次结构逐渐增加到五级、六级甚至更高。这表明 MOF 具有构建更复杂结构的潜力，不仅适用于电化学应用，还适用于其他应用。这些材料在光催化CO2还原、气体吸附、药物输送等方面的应用值得进一步研究。

04【数据概览】

图一、通过金属离子和有机连接单元的自组装复合的金属-有机框架。MOF中的层次结构从上到下分别为分级孔隙度、分级结构和分级组合。© 2022 The Authors

图二、分级MOF及其衍生材料及其应用前景© 2022 The Authors

作者简介

庞欢，南京大学理学博士，扬州大学教授，博士生导师。教育部新世纪优秀人才（2013）；教育部青年长江学者（2018）；江苏省杰出青年（2020）；全球高被引学者。作为扬州大学代表之一与Elsevier联合创刊EnergyChem、担任管理编辑；任《国家科学评论》学科编辑组成员；多个期刊编委、青年编委学术兼职。主要从事基于配合物框架材料的能源化学研究。近年来以第一/通讯作者在《国家科学评论》、Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Letters, 等期刊发表SCI论文300多篇，论文被引次数达18000余次，H因子为80。主编/著英文书籍3本，主编江苏省重点教材2部：《能源化学》、《能源化学实验》高教社。授权国家发明专利20项。主持或完成国家自然科学基金3项（联合重点1项）。曾获教育部自然科学一等奖（2020，R3）、江苏省教育教学与研究成果奖二等奖（2018，R1）、河南省科学技术进步二等奖（2016，R3）、中国电子学会科学技术一等奖（2019，R4）、大学生挑战杯全国一等奖（2017）、三等奖（2019）指导教师、扬州大学“金讲台”奖（2018）。

文献链接：Applications of hierarchical metal–organic frameworks and their derivatives in electrochemical energy storage and conversion. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105354.