EnSM综述ZIFs基电化学储能材料的研究进展与展望

　　背景
　　化石燃料的大量消耗和随之而来的环境污染增加了对清洁和可持续能源的需求。太阳能、风能和潮汐能是清洁、高效和可再生能源，是替代传统化石燃料的理想能源。然而，这些能量的间歇性性质只有通过开发高性能电化学储能(EES)器件才能使更有效地开发和利用它们成为可能。电池和超级电容器(SCs)是各种EES系统中研究最多、应用最广泛的储能设备。然而，它们都不能满足目前对高效储能系统的所有要求。一般来说，电池的能量密度高于SCs，但其功率密度较低。此外，电池的循环稳定性和安全性还有待进一步提高。因此，我们需要投入大量的研究工作来开发新的高性能电极材料，以充分提高两者的电化学性能。
　　金属-有机框架(MOFs)由金属离子（或团簇）和通过配位键形成的有机连接体组成，是由Yaghi和合作者在1995年首次合成的新一代多孔材料。到目前为止，已经创建了2万多种不同的MOFs，而且数量仍在增加。
　　沸石咪唑酸盐框架(ZIFs)是各种MOFs中较为常见的亚家族之一。ZIF的金属源是过渡金属离子，如Co2+和Zn2+，而有机连接物是咪唑或咪唑衍生物(如2-甲基咪唑(Hmim)和苯并咪唑(bIm))，与铝硅酸盐沸石的配体相似。对于ZIF，过渡金属离子和配体形成金属咪唑金属((M-Im-M )结构，与传统硅基沸石中的硅氧硅键相似。这种独特的结构不仅使ZIF能够继承传统MOFs的高比表面和多孔结构，而且具有传统MOFs的可调特性和高稳定性结构。不同的合成方法（如室温合成、溶剂热法、微波辅助法等）和不同的溶剂(如N、N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇和乙醇等）用于调整ZIFs的形貌、孔隙率和表面积。许多功能ZIFs已被报道，并已广泛应用于电化学传感、催化、水分裂、生物医学等领域。
　　图文速览
　　近年来，ZIFs及其衍生物逐渐应用于电池和SCs等储能领域。特别是ZIFs衍生物独特的纳米结构和优良的电化学性质，引起了研究人员的广泛关注。
　　一方面，纯ZIFs的低电子电导率限制了其在储能领域的应用。因此，人们投入了大量的精力来引入碳基材料/导电聚合物，以提高其导电率，从而提高它们的性能。此外，也有报道称，将氧化还原活性材料如多金属氧酸盐封装到ZIFs中也可以提高其电化学性能。然而，大量的报告表明，通过这些方法得到的复合材料仍然表现出相对较低的比容量/电容，这不能满足目前对高性能电极材料的需求。
　　另一方面，由于高孔隙率和表面积的笼状结构，是设计和制备高性能电极材料的理想模板/前驱体。采用不同的后处理方法可以获得具有特殊纳米结构的衍生物，如具有空心核壳结构的NiCo2S4/MoS2复合材料。以ZIFs为模板制备的纳米材料可以很好地保留原有组分的优势，并充分发挥不同组分的协同效应，从而克服了原始ZIFs的低电导率，提高了其储能性能。
　　到目前为止，许多关于MOF材料在EES方面应用的评论已经被报道。虽然这些综述具有非常有指导意义和价值，但它们都是基于MOF及其衍生物进行评论和总结，这导致了对某些亚族的关注不足，如ZIFs。关于ZIFs的论文很少，只有一定方面的概述。考虑到ZIFs及其衍生物在MOFs中的独特地位，以及近年来在EES应用中的巨大进展，我们认为，有必要对这一主题进行仔细和全面的回顾，以充分了解ZIFs及其衍生物在能源存储中的应用。
　　在本文中，我们不仅将关注纯ZIFs，还将关注其纳米材料，以便更全面地了解ZIFs在EES中的应用，特别是在SCs中的应用和电池。本文综述了ZIFs及其衍生物的合成方法、结构优势和电化学性能，以促进进一步发展基于ZIFs和ZIFs衍生物的EES系统的开发与利用。
　　图1 ZIFs在能源领域的应用
　　图2 发展历史
　　图3 ZIFs的合成方法
　　图4 不同的有机配体
　　原文链接：Advances and perspectives of ZIFs-based materials for  electrochemical energy storage: Design of synthesis and crystal  structure, evolution of mechanisms and electrochemical performance
　　https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.09.023