剑桥大学、伦敦玛丽王后大学和马克斯-普朗克固态研究所的科学家前不久发现一种方法，电池可以在加入一小撮“盐”后性能得到很大的提升。他们发现高温“烘焙”掺入金属化合物盐的超大分子形成有机-金属“海绵”后，这些“海绵”可以变为形貌各异的碳基结构。出人意料的是，掺入金属化合物盐、碳化后的材料不是通常得到的无定形碳基材料，而是一种由网和线组成的复杂且有序的多层级结构材料。这类三维立体（3D）多层级碳基材料作为电池的负极材料可以促进电解液中的离子在碳材料中迁移，因此该类材料在高性能电池中具有广阔的应用前景。然而，以往3D多层级碳基材料即使在实验室条件下也很难获得。

科学家将这一令人惊喜的结果发表在J. Am. Chem. Soc. 上，并在文中展示了一种基于该类材料的高性能锂离子电池，这种电池不仅拥有较高的电容量，而且所需的充电时间很短。由于自然界中的硅藻也具有复杂且有序的多层级结构，科学家将其开发的多层级结构材料命名为“纳米硅藻”（nano-diatom）。他们相信这些“纳米硅藻”在储能和电化学催化（如催化制备氢气）方面大有用武之地。

项目负责人、伦敦玛丽王后大学的Stoyan Smoukov教授评论说：“这种碳化变形只有在样品加热到800摄氏度时才会发生，犹如美剧《权力的游戏》里在火中降生的龙一般神奇。令人更加欣喜的是，最初的惊喜之后，我们还发现了如何通过改变化学组分来控制这种碳化变形。”

碳材料，例如石墨烯和碳纳米管，是一类自然界中储量极为丰富且存在形式变化多端的材料。由于具有优良的导电性和高化学、热稳定性，碳材料广泛应用在储能、催化和电子器件等领域。三维立体多层级碳基材料不但可以保留大多数碳材料良好的物理性质（例如优良的导电性），而且具备一些特殊的性质。这些三维立体多层级碳基材料可在制作轻型结构材料、改善碳材料浸润性和增强流体定向导通性等方面大有作为。然而，具有规则三维立体多层次结构的碳基材料往往很难简单地制备，以往制备这些碳材料的方法几乎不与适用于大规模量产的“自下而上”的化学方法兼容。

超大分子有机-金属“海绵”也称有机-金属框架（metal organic framework，MOF）材料。MOF大多具有规则的结构和纳米尺寸的孔，在气体储存和分离中具有广阔的应用前景。碳化后的MOF一般会保留较大的比表面积，使碳化的MOF具有成为电池电极材料的潜力。尽管如此，大多数MOF在碳化后只会生成具有碳化前形貌的无定形多孔碳基衍生物。然而，科学家却发现，向这些MOF“海绵”中添加一些盐后，碳化的产物竟然形成一系列复杂且有序的3D多层级碳基材料。

剑桥大学的合作者R. Vasant Kumar教授评论说：“这个工作将MOF的应用研究推向了一个新的高度。这种制作3D多层级碳基材料的方法不光会在储能方面有应用前景，而且在能量转化（如催化制氢）和化学传感方面的潜力同样巨大。”

文章的第一作者、剑桥大学的博士生王铁胜（Tiesheng Wang）说：“因为可选的MOF和金属盐的种类非常多，他们的组合会有成千上万种可能，在不久的未来，我们也许会通过选择不同的MOF和金属盐来设计和制作我们想要的碳基材料。”这项研究得到欧洲研究委员会（European Research Council ，ERC）的资助。王铁胜博士由国家留学基金管理委员会（CSC）资助，并得到英国工程和自然科学研究委员会（the Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）的支持。

MOF变成纳米硅藻的过程与《权力的游戏》中龙在火里破壳而出有几分相似

该论文作者为：Tiesheng Wang, Hyun-Kyung Kim, Yingjun Liu, Weiwei Li, James T. Griffiths, Yue Wu, Sourav Laha, Kara D. Fong, Filip Podjaski, Chao Yun, R. Vasant Kumar, Bettina V. Lotsch, Anthony K. Cheetham and Stoyan K. Smoukov

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bottom-up Formation of Carbon-Based Structures with Multilevel Hierarchy from MOF–Guest Polyhedra

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6130, DOI: 10.1021/jacs.8b02411

（本文由王铁胜供稿）