分級金屬有機框架（MOF）因其增強的多樣性和對內部序列和結構的控制而引起了極大的關注。分級MOFs不同形態的可控合成和多尺度調控在實際應用中至關重要。分級MOF的研究為提高電化學儲能器件的性能做出了突出貢獻，並大大提高了其循環性能和電容。近日，揚州大學龐歡教授等人發表了評述性論文，重點對零維、一維、二維等形式的多級MOF及其衍生物在電池、超級電容器和電催化等電化學領域的合成方法、形貌和應用進行了綜述。基於理論知識和實驗經驗，作者提出了基於分層MOF的電化學儲能與轉換裝置的未來發展方向。相關綜述文章以「Applications of hierarchical metal–organic frameworks and their derivatives in electrochemical energy storage and conversion」為題發表在Journal of Energy Storage上。MOF材料因其多孔結構和可調節的化學成分而備受公眾關注，但其尺寸和化學成分的變化對MOF材料的性能有着至關重要的影響。低維MOFs（零維納米粒子、一維納米線和納米棒、二維納米片）容易堆積，而且MOF本身穩定性和導電性較差，影響其在電化學中的應用。MOFs基本分子構件的靈活性為結構構建提供了良好的平台。一般來說，MOF可以形成三種超結構：分級孔隙度、分級結構和分級組合。基本的 MOF 模塊可以按照一定的順序構建成更複雜的結構。此外，MOF的孔隙率、化學成分等性質可以按一定順序組合，形成性能更好的材料。因此，製備的多級MOF及其衍生物具有豐富的活性位點、巨大的比表面積和多種離子分散通道，有利於提高電導率和快速電子轉移。同時，具有分級孔結構的MOF具有微孔和介孔結構，更有利於電解質和電子的轉移，並具有適應體積膨脹的能力。更重要的是，分級結構與其他種類的導電材料（如碳納米管和石墨烯）的結合能夠將多種功能集成到單層複合結構中，進一步增強材料的性能。綜述中，作者評述了多級MOFs及其衍生物在電化學應用中的一系列相關研究進展，總結了基於0D、1D、2D等結構單元構建多級結構的綜合策略，以及多級MOF的應用討論了其在電池、超級電容器和電催化電極材料中的衍生物。這些結果預示着分級MOFs及其衍生物在許多電化學領域展現出良好的發展前景。然而，仍有一些問題需要解決。(1) 多級MOF及其衍生物的合成機制尚不成熟，難以準確預測假設的新型MOF及其可能的化學和電子性質。同時，在保持結構均勻性的同時，大規模製備多層次MOFs的技術需要進一步發展。因此，在反應設計中必須考慮反應物擴散和溫度控制。(2)在電化學應用中，特別是在電池和超級電容器中，多級MOF及其衍生物仍有很大的發展潛力。與零維納米粒子和二維納米片相比，基於一維結構單元構建的分級MOF及其衍生物較少。也許是因為一維結構在實踐中難以操作。一種有用的方法可能是設計一個易於操作的基本一維MOF。(3) 構建更合理、更複雜的分層MOFs及其衍生物已成為該材料發展的重點。近年來，研究人員通過構建更複雜的 MOF 結構和創建由納米晶體組成的高階介觀超結構，在控制 MOF 的物理形態方面取得了重大進展。這種分層MOF結構可以分為四個維度：（a）0D結構，由中空微球或膠囊組成；(b) 一維結構，如納米纖維或納米棒；(c) 具有晶圓薄膜的 2D（膜-2D）結構。所有這些類型的上層結構都是為了豐富金屬材料固有的微孔的材料特性而設計的，可以通過選擇合適的上層結構尺寸來形成。在最新研究中，通過將MOF前驅體依次浸入兩種轉化溶液中，成功實現了MOF晶胞-納米片-中孔-微立方體的分級四元結構，展示了從納米級到中級到微米級的清晰層次結構。本研究啟發我們，在未來的發展中，MOF 的層次結構逐漸增加到五級、六級甚至更高。這表明 MOF 具有構建更複雜結構的潛力，不僅適用於電化學應用，還適用於其他應用。這些材料在光催化CO2還原、氣體吸附、藥物輸送等方面的應用值得進一步研究。圖一、通過金屬離子和有機連接單元的自組裝複合的金屬-有機框架。MOF中的層次結構從上到下分別為分級孔隙度、分級結構和分級組合。© 2022 The Authors圖二、分級MOF及其衍生材料及其應用前景© 2022 The Authors龐歡，南京大學理學博士，揚州大學教授，博士生導師。教育部新世紀優秀人才（2013）；教育部青年長江學者（2018）；江蘇省傑出青年（2020）；全球高被引學者。作為揚州大學代表之一與Elsevier聯合創刊EnergyChem、擔任管理編輯；任《國家科學評論》學科編輯組成員；多個期刊編委、青年編委學術兼職。主要從事基於配合物框架材料的能源化學研究。近年來以第一/通訊作者在《國家科學評論》、Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Letters, 等期刊發表SCI論文300多篇，論文被引次數達18000餘次，H因子為80。主編/著英文書籍3本，主編江蘇省重點教材2部：《能源化學》、《能源化學實驗》高教社。授權國家發明專利20項。主持或完成國家自然科學基金3項（聯合重點1項）。曾獲教育部自然科學一等獎（2020，R3）、江蘇省教育教學與研究成果獎二等獎（2018，R1）、河南省科學技術進步二等獎（2016，R3）、中國電子學會科學技術一等獎（2019，R4）、大學生挑戰杯全國一等獎（2017）、三等獎（2019）指導教師、揚州大學「金講台」獎（2018）。文獻鏈接：Applications of hierarchical metal–organic frameworks and their derivatives in electrochemical energy storage and conversion. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105354.
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