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以鋅金屬為負極的鋅離子儲能裝置，包括電池和電容器（ZIBs和ZICs），在很大程度上受到枝晶生長和低庫侖效率的阻礙，這歸因于鋅負極和電解液之間的副反應。與此同時，H₂O和SO₄^2-的定向和有效隔離是極具挑戰(zhàn)性的。

圖1. 鋅沉積的示意

中南大學鄒國強等基于枝晶的生長機制和抑制水誘導的副反應的困境，構建了一個具有埃級離子隧道的創(chuàng)新2D Mn-MOF，以一次解決所有問題。密度泛函理論（DFT）計算顯示，對SO₄^2-（＞10 eV）和H₂O具有高嵌入能壘，但對Zn²⁺具有低嵌入能壘的埃級2D-Mn-MOF表現出高效的通道選擇，這與分子動力學模擬（MD）非常一致。

此外，有限元模擬（FES）表明，Zn²⁺將穿梭于高度有序的通道中，這可以使電場和Zn²⁺通量分布均勻，從而實現均勻的鋅沉積。此外，與3D-MOF相比，2D-MOF表現出更好的機械強度，這更有利于抑制枝晶的生長。

圖2. Zn沉積/剝離過程中的觀察

正如預期的那樣，用二維Mn-MOF@Zn負極組裝的對稱電池在4 mA cm^-2條件下可存活2000小時，在10 mA cm^-2條件下可存活1000小時，遠遠大于三維Mn-MOF（200小時），是裸Zn負極的近10倍。

此外，以活性炭為正極組裝的ZIC在0.5A g^-1的情況下，經過4000次循環(huán)后的容量保持率為99.75%，并在5A g^-1的情況下獲得了40000次循環(huán)的超長壽命。

另外，以CaV₈O₂₀·nH₂O為正極的ZIBs在4 A g^-1的條件下循環(huán)1000次后容量保持率為119.5%，遠遠優(yōu)于使用裸鋅負極的情況。同時，以2D-MOF為前層的對稱Na電池表現出優(yōu)異的性能，在長壽命金屬負極中顯示出巨大的應用前景。

圖3. 二維Mn-MOF在ZICs和ZIBs中的應用

Angstrom-Level Ionic Sieve 2D-MOF Membrane for High Power Aqueous Zinc Anode. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300339

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