金属有机框架是由不同中心有机配体和金属离子配位键连接形成周期性孔结构和丰富的孔体积。由于其结构优势，金属有机框架被认为是新型能量存储材料的最有前途的候选者之一。为了更好地利用其优势，金属有机框架可以与电纺技术相结合，有效调节复合材料的孔隙度和机械强度。

基于此，哈尔滨工业大学陈刚教授和新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授团队发表综述，总结了基于静电纺丝的金属有机骨架储能研究进展。相关研究成果以“Recent Advances in Metal–Organic Frameworks Based on Electrospinning for Energy Storage”为题目发表于期刊《Advanced Fiber Materials》上。

本文要点：

1、综述了最新的金属有机骨架与经典纺丝技术的结合制备MOF纳米纤维。

2、MOF纳米纤维在超级电容器、锂离子电池等多种储能器件中的应用。

3、本文还讨论了金属有机骨架纳米纤维制备面临的挑战，并对该领域的未来发展趋势进行了展望。

图1 静电纺丝发展简图。

一张图读懂全文：

MOFs与静电纺丝结合为储能材料提供了诸多优势:

1. 灵活的结构设计，开发具有可控孔径和结构的复合材料。

2. 增强了复合材料的孔隙率和机械强度，提高了储能应用的性能。

3. 促进离子的储存和运输，有助于提高复合材料的导电性。

4. 由于MOF的孔径结构具有较大的表面积和可调节的孔径，从而增加了电化学活性位点。

在MOF纳米纤维的制备过程中存在一些挑战和未来发展趋势，包括：

1. 稳定性：MOF在水、化学溶剂和热稳定性方面仍存在不足。在MOF的电化学过程中，需要考虑碎裂和相变等问题。

2. 材料配置的优化：MOF、衍生MOF材料和电纺碳纤维结构具有不同的能量存储机制。在材料设计的初期阶段，需要优化复合材料的比例，以最大程度地提高复合材料的电化学性能。

3. 生产成本：MOF复合膜材料中有机配体的高价格阻碍了其工业化。因此，降低成本也是复合膜材料应用的一大挑战。

4. 工业化：电纺工艺的工业化仍然是一个挑战。目前，大多数电纺技术使用单针电纺。多针/多喷电纺方法的研究和应用，有利于快速大规模制备复杂纤维。

图2 1998 - 2022.10年以“静电纺丝与金属有机框架”为关键词的论文数量。

图3 MOF纳米纤维主要应用领域示意图。

图4将MOF直接加入静电纺丝溶液中制备材料示意图。

图5 MOF衍生碳复合材料的制备机理。

图6退火静电纺丝复合膜电极在超级电容器中的制备示意图。

图7超级电容器中MOF衍生纳米结构的制备过程。

图8 MOF衍生复合纤维膜在锂离子电池中的应用原理图。

图9：钠离子电池中MOF衍生的复合结构示意图。

图10：钾离子电池中MOF衍生纳米结构的合成工艺。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00287-3