镁电池因其原料丰富、安全无枝晶的特点，有望成为后锂电池时代的一种新型电池。然而，镁电池正负极材料和电解液之间的不兼容大大限制了其未来发展。与高电位正极材料兼容的氧化稳定性电解液会在镁负极表面形成惰性包覆层，影响镁的循环；而与镁负极兼容的还原稳定性电解液会与高电位正极材料发生化学反应形成副产物，损害电池正常运行。利用隔膜分离正负极电解液，选择性地传导镁离子是解决这一问题的有效方式。
金属-有机骨架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）材料具有规则可调控的孔道结构，给离子的传导提供了可能性。对于特定种类的MOFs材料（例如MOF-74），其孔道内暴露的大量不饱和金属位点（Open-Metal Sites）更可以潜在地结合溶剂分子和阴离子，帮助实现阳离子的选择性传导。先前报导的镁离子传导的MOF隔膜，主要由粉末压结制成，这类压制而成的材料，使人们理解了MOFs对于镁离子传导的重要性质，但粒子间隙的存在以及较大的厚度（微米至毫米），使得这类材料在电池领域的直接应用受到限制。
近日，波士顿学院的王敦伟教授团队与宗家洸教授团队合作，将MOFs用于镁离子传导的研究，通过合成致密MOF薄膜，成功实现了在双电解液环境下的镁离子选择性传导。
该MOF薄膜选用Mg-MOF-74为材料，以湿化学方法直接合成，厚度均一（约200 nm），表面均匀无裂隙，这些特征为选择性传导镁离子提供了结构基础。与传统的MOF粉末压结的隔膜相比，材料厚度的极大降低使得单位面积的电阻降至6.4 Ω•cm2，为其在电池领域的使用提供了电化学基础。该Mg-MOF-74薄膜可负载在多孔阳极氧化铝（Anodic Aluminum Oxide, AAO）上作为独立隔膜使用。Mg-MOF-74/AAO 实现了镁金属电极在双电解液环境下的稳定循环。与此同时，定量分析实验也表明它可以有效阻挡溶剂分子和阴离子在双电解液之间的扩散。这种新型MOF薄膜材料为镁电池的发展提供了新思路。
相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上。
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A Metal-Organic Framework Thin Film for Selective Mg2+ Transport
Jingru Luo‡, Yang Li‡, Haochuan Zhang, Ailun Wang, Wei-Shang Lo, Qi Dong, Nicholas Wong, Christopher Povinelli, Yucai Shao, Sumanth Chereddy, Stephanie Wunder, Udayan Mohanty, Chia-Kuang Tsung*, and Dunwei Wang*
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908706
导师介绍
王敦伟
https://www.x-mol.com/groups/wang_dunwei
（本稿件来自Wiley）
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