扬大-庞欢团队︱AM: 配体工程调控钒基金属有机框架电子转移以及机器学习助力实现高效可逆水系锌离子电池

本文由作者团队受邀供稿！

一、研究背景：

精确调控金属有机框架（MOFs）配体的类型、取代基位置及电子性质，可调节局部电子结构和电荷分布，被认为有效提升其电化学性能。分子层面的调控不仅优化金属中心电子环境，显著影响离子扩散和电荷传输。然而，尽管配体功能化在MOFs设计中展现出巨大潜力，如何将其高效应用于水系锌离子电池（AZIBs）以发挥MOFs的储能性能，仍面临诸多挑战。

二、文章简介：

近日，扬州大学庞欢课题组通过配体工程策略构建了一系列功能化X-MIL-47材料，并结合X-射线吸收谱、原位光谱及DFT计算揭示极性取代基诱导的电荷重分布机制以优化Zn²⁺是插脱动力学，同时构建机器学习模型预测电极材料性能。相关研究成果近日发表于Advanced Marterials期刊上。第一作者是博士研究生张燕飞，通讯作者是庞欢教授。

三、研究内容：

该研究采用配体工程策略合成了一系列钒基金属有机框架材料（X-MIL-47），通过在配体上引入极性取代基，利用其诱导效应与共轭效应调节MOFs的电子结构，进而改变金属中心的电子密度，从而促进Zn²⁺的插入/脱出动力学优化。利用X-射线吸收精细结构光谱分析了X-MIL-47的配位环境，并通过原位/非原位光谱技术深入研究了Zn²⁺的的存储机制。实验结果与DFT计算结果一致，表明极性取代基的引入会诱导MOFs材料内部电荷重新分布，从而增强氧化还原反应的可逆性。此外，基于正交展开法和实验数据，建立了一个机器学习模型，用于预测不同条件下电极材料的性能，为功能性MOFs在储能应用中的设计提供了新思路。

图1. X-MIL-47合成策略与配体对比。

图2. X-MIL-47结构表征。

图3. 电化学性能对比。

图4. Zn²⁺存储机制探索。

图5. 机器学习与理论计算。

四、总结与展望：

该研究采用配体工程策略合成了系列钒基MOF材料（X-MIL-47）并将其应用于AZIBs。通过调控有机配体的极性官能团来优化X-MIL-47的电子结构和电子接受能力，不仅增强了它的电荷分离能力，而且降低了它的电荷转移电阻。在此基础上，我们进一步通过调节反应温度和添加调节剂制备了不同形貌的Br-MIL-47，并系统地研究了极性官能团和材料形貌对电化学性能的影响。结果表明纺锤状的VBr-180是一种优良的AZIBs正极材料。结合实验数据和DFT计算证实了极性官能团的引入降低Zn²⁺的迁移势垒，加速了离子的传输，从而满足了快速离子扩散的要求。值得注意的是，构建的ML模型能够准确预测各种测试条件下电极材料的电化学性能，为MOF材料在储能应用中的性能优化提供可靠的数据支持和理论指导

点击文末「阅读原文」，直达文献。

Authors: Yanfei Zhang, Qian Li, Wanchang Feng, Shengjie Gao, Haotian Yue, Yichun Su, Huijie Zhou, Jianfei Huang, Lingfei Han, Mohsen Shakouri, Yonggang Wang, and Huan Pang*

Title: Regulating Electron Transfer in Vanadium-Based Metal-Organic Frameworks via the synergy of Linker Engineering and Machine Learning for Efficient and Reversible Aqueous Zinc Ion Batteries

Published in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202507609

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庞欢课题组介绍：https://www.x-mol.com/groups/panghuan

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