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随着能源结构的调整,人们对于高性能储能装置的需求越来越高,能量密度较高的锂离子电池成为主流,但随着锂离子电池产量的攀升和广泛应用,锂离子电池的缺点也逐渐暴露了出来,如昂贵的原材料、安全性问题等。因此,科学家们将目光转向了新型可充电金属离子电池,如钠离子电池、镁离子电池、铝离子电池等。可充电铝电池具有安全性好、原材料便宜、金属铝负极理论比容量高的优点,因此得到了产业界和学术界的关注。根据已报道的可充电铝电池体系,正极活性物质直接决定了全电池的充放电比容量和工作平台电压,因此开发高比容量、循环稳定性好的正极材料一直是研究的热点。金属有机骨架衍生物被证实在能源储存和转化领域有着不错的应用前景,可作为电极活性物质、宿主材料和催化剂。本文围绕钴基金属有机骨架（ZIF-67）衍生物在可充电铝电池体系下的应用进行了系统的研究与探索,主要取得了以下成果和进展:（1）使用高温煅烧ZIF-67的方法制备 Co3O4,并作为可充电铝电池正极活性物质。ZIF-67衍生的Co3O4材料保持着多面体的形貌特征,颗粒尺寸均匀。多壁碳纳米管的加入,提升了复合材料的导电性。Co3O4/多壁碳纳米管复合正极材料的首圈充放电容量可达249.4、266.4mAhg-1循环150圈后的比容量可保持在125 mAhg-1,库伦效率稳定在99%。对充放电产物的X射线电子能谱分析结果表明在充放电过程中,正极活性物质Co3O4中的氧元素不参加电化学储能反应,钴元素在Co3+和Co0之间转变,提供充放电比容量。（2）采用溶剂热法对ZIF-67进行硫化处理,得到ZIF-67衍生的Co3S4多面体材料。X射线衍射图谱和X射线电子能谱分析测试表明合成过程中未引入杂质,合成的Co3S4纯度较高,其中钴元素表现为Co3+和Co2+,硫元素表现为S2-和S-。硫化处理后的Co3S4多面体材料的比表面积明显低于ZIF-67,孔径大小则与 ZIF-67 前驱体一致。电化学测试结果表明,Co3S4 正极材料具有较高的充放电比容量和平坦的电压平台。循环伏安曲线中,在1.07 V和0.78V处发现一对较强的氧化、还原峰。100 mAg-1的电流密度下,Co3S4的首圈充、放电比容量可达876、875 mAhg-1,充、放电平台为0.9、0.65 V,电压迟滞为0.25 V。倍率性能测试结果表明,较大的电流密度下Co3S4的充放电比容量虽有一定程度的衰减,但仍可表现出明显且平坦的充放电平台。200mAg-1电流密度下的循环稳定性测试结果表明,前15圈剧烈的比容量衰减后,充放电比容量逐渐稳定,循环130圈后,充、放电比容量稳定在～215、190 mAh g-1,库伦效率稳定在～89%。（3）通过在金属有机骨架成核过程中加入硫粉的方式将硫直接负载在ZIF-67多面体的内部和表面,制备了S@ZIF-67复合正极。全电池在100mA g-1的电流密度下,可表现出180 mAh g-1的充放电比容量。通过高温融硫（155℃）的方法将硫粉负载在高温碳化处理后的钴基金属有机骨架衍生物（ZIF-67-700）上,得到S@ZIF-67-700硫基复合材料。充放电测试中,S@ZIF-67-700全电池表现出较为平坦的充、放电平台,位于1.5、0.7 V,电压迟滞由纯硫正极的1.2V缩小至0.8V。得益于较高的硫负载量（70wt%）,S@ZIF-67-700复合正极的首圈充、放电比容量可达623、415 mAh g-1在300 mA g-1的电流密度下,S@ZIF-67-700全电池循环160圈后仍可维持170 mAh g-1的充放电比容量。第一性原理计算结果表明,ZIF-67和高温碳化处理后的ZIF-67-700 宿主材料对单质硫和多硫产物具有自 发的吸附作用,可有效地与单质硫和多硫产物结合,抑制充放电过程中的溶解和穿梭效应。ZIF-67-700与硫及多硫产物的结合能更负,说明ZIF-67-700对硫及多硫产物的束缚作用强于ZIF-67。（4）基于ZIF-67硫化处理得到的Co3S4多面体材料,通过与还原氧化石墨烯复合,得到Co3S4/rGO宿主材料。采用高温融硫的方式将硫负载在Co3S4/rGO宿主材料上,负载硫后的S@Co3S4/rGO正极材料具有较高的充放电比容量和平坦的电压平台。在300 mAg-1的电流密度下,首圈充、放电比容量可达1267、1414 mAh g-1。在Co3S4/rGO宿主材料的帮助下,硫正极在铝电体系下的电压迟滞得到了进一步的改善,首圈充放电曲线中可见1.45、0.85 V处一对充、放电平台,电压迟滞缩小至0.6 V。充放电循环250圈后,S@Co3S4/rGO的充、放电比容量稳定在～440、380 mAh g-1,库伦效率为～86%。将宿主材料中Co3S4所提供的充放电比容量扣除后,硫的充、放电比容量可达532、487mAhgs-1（基于硫元素的质量）。石墨烯和Co3S4宿主材料对吸附分子的平均结合能大小为-3.624eV和-2.386eV,表明宿主材料对硫及多硫化物具有较强的吸附作用,可有效地抑制硫及多硫产物在电解液中的溶解和穿梭效应。分子动力学计算表明在室温下（300 K）,石墨烯和Co3S4对硫及多硫化物吸附行为的热稳定性较好。