Reversible Metal and Ligand Redox Chemistry in Two-Dimensional Iron–Organic Framework for Sustainable Lithium-Ion Batteries

化学 氧化还原 锂(药物) 电化学 金属有机骨架 共轭体系 无机化学 配体(生物化学) 氢键 金属 离子 电极 分子 有机化学 物理化学 吸附 聚合物 受体 内分泌学 医学 生物化学
作者
Jiarun Geng,Youxuan Ni,Zhuo Zhu,Quan Wu,Suning Gao,Weibo Hua,Sylvio Indris,Jun Chen,Fujun Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (3): 1564-1571 被引量:64
标识
DOI:10.1021/jacs.2c08273
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) are emerging as attractive electrode materials for lithium-ion batteries, owing to their fascinating features of sustainable resources, tunable chemical components, flexible molecular skeletons, and renewability. However, they are faced with a limited number of redox-active sites and unstable molecular frameworks during electrochemical processes. Herein, we design a novel two-dimensional (2D) iron(III)-tetraamino-benzoquinone (Fe-TABQ) with dual redox centers of Fe cations and TABQ ligands for high-capacity and stable lithium storage. It is constructed of square-planar Fe-N2O2 linkages and phenylenediamine building blocks, between which the Fe-TABQ chains are connected by multiple hydrogen bonds, and then featured as an extended π-d-conjugated 2D structure. The redox chemistry of both Fe3+ cations and TABQ anions is revealed to render its remarkable specific capacity of 251.1 mAh g-1. Benefiting from the intrinsic robust Fe-N(O) bonds and reinforced Li-N(O) bonds during cycling, Fe-TABQ delivers high capacity retentions over 95% after 200 cycles at various current densities. This work will enlighten more investigations for the molecular designs of advanced MOF-based electrode materials.
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