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社会发展对能源日益增长的需求，促进可再生能源技术（例如太阳能和风能）的迅速发展。由于这些能源的间歇性，需要开发大规模和高性能的能源存储和转换系统。电池根据需要将化学能转换为电能（反之亦然），具有极大的灵活性。锂离子电池（LIBs）作为储能设备因其循环寿命长，能量密度高和重量轻等特点受到了高度关注，并被广泛商业应用。而锂-氧电池由于具有超高的理论比容量，以及构造相对简单等优点，被认为是最具前景的下一代储能设备之一。在这些储能系统电极材料的研发过程中，金属有机骨架 (Metal-organic frameworks，MOFs)及其衍生物由于具有高比表面积，丰富的孔结构和可调控的活性位点及形貌，成为该领域的研究热点。基于MOFs衍生物的优点，在本论文中选用不同形貌和功能的MOFs合成了两类电极材料，分别应用于锂离子电池负极和锂-氧电池正极。本论文的主要研究内容如下：
(1) 在室温下，合成片状的Zn MOFs前驱体，随后经过碳化和硫化合成ZnCoS纳米颗粒负载在碳纳米片上的复合材料（ZnCoS@CNSs-1）。通过改变 Co2+的掺入量，来探究Zn MOFs片状结构的稳定性，结果表明随着Co2+掺入量的增加，Zn MOFs的亚稳态逐渐被破坏，导致形成无规则形貌的团聚物。当掺杂较少的Co2+离子时，则形成少量的 ZnCoS 活性物质。将合成的材料作为锂离子电池负极材料组装成半电池，测试其储锂性能。测试结果表明，当 Co(NO3)2·6H2O 与 Zn MOFs 的质量比为 1 时，得到的ZnCoS@CNSs-1兼具丰富的ZnCoS活性位点和稳定的片状形貌，因此ZnCoS@CNSs-1材料具有最优异的储锂性能。当电流密度为200 mA g-1时，电池的首次放电比容量达到1172.0 mA h g-1。在500 mA g-1的电流密度下，稳定循环200圈后充放电比容量仍保持在784.3 mA h g-1，并且具有优异的倍率性能。
(2) 采用溶剂热法合成了两种形貌的ZIF-8/67@CNTs复合物。合成路径1是以Zn2+和Co2+作为金属中心与2-甲基咪唑和CNTs合成Zn/Co-ZIF@CNTs前体，再经过800 ℃热解和酸处理后，使得N掺杂碳基质均匀地包覆在CNTs表面，形成谷穗状的NC@CNTs材料。NC@CNTs材料丰富的N活性位点有利于ORR反应进行，而大表面积的微孔碳骨架可提供空间容纳Li2O2。将NC@CNTs和纯CNTs作为锂-氧电池的正极催化剂进行了电化学测试，结果显示NC@CNTs正极相比于纯CNTs正极具有更高的初始放电容量和更长的循环寿命。另外，由NC@CNTs作正极时电池性能提高，可能包括NC中存在的极少数Co单原子的催化贡献。
合成路径2中由Co2+和2-甲基咪唑配位，与CNTs合成ZIF-67@CNTs复合物，经过高温煅烧后生成具有3D导电碳网络的Co-NC@CNTs材料。ZIF-67衍生的Co-NC纳米颗粒作为碳网络节点，既具有微孔和介孔结构，又有丰富的催化ORR和OER的活性位点。CNTs 作为碳骨架增强了催化剂的导电性，相互交联的碳网络为容纳放电产物提供了巨大的空间。Co-NC@CNTs材料作为锂-氧电池正极催化剂，具有更加优异的循环性能，在电流密度为250 mA g-1，截止容量为500 mAh g-1时循环圈数为145圈，在电流密度为200 mA g-1时放电容量为12570 mAh g-1均优于Co-NC和纯CNTs正极催化剂。
(1) 在室温下，合成片状的Zn MOFs前驱体，随后经过碳化和硫化合成ZnCoS纳米颗粒负载在碳纳米片上的复合材料（ZnCoS@CNSs-1）。通过改变 Co2+的掺入量，来探究Zn MOFs片状结构的稳定性，结果表明随着Co2+掺入量的增加，Zn MOFs的亚稳态逐渐被破坏，导致形成无规则形貌的团聚物。当掺杂较少的Co2+离子时，则形成少量的 ZnCoS 活性物质。将合成的材料作为锂离子电池负极材料组装成半电池，测试其储锂性能。测试结果表明，当 Co(NO3)2·6H2O 与 Zn MOFs 的质量比为 1 时，得到的ZnCoS@CNSs-1兼具丰富的ZnCoS活性位点和稳定的片状形貌，因此ZnCoS@CNSs-1材料具有最优异的储锂性能。当电流密度为200 mA g-1时，电池的首次放电比容量达到1172.0 mA h g-1。在500 mA g-1的电流密度下，稳定循环200圈后充放电比容量仍保持在784.3 mA h g-1，并且具有优异的倍率性能。
(2) 采用溶剂热法合成了两种形貌的ZIF-8/67@CNTs复合物。合成路径1是以Zn2+和Co2+作为金属中心与2-甲基咪唑和CNTs合成Zn/Co-ZIF@CNTs前体，再经过800 ℃热解和酸处理后，使得N掺杂碳基质均匀地包覆在CNTs表面，形成谷穗状的NC@CNTs材料。NC@CNTs材料丰富的N活性位点有利于ORR反应进行，而大表面积的微孔碳骨架可提供空间容纳Li2O2。将NC@CNTs和纯CNTs作为锂-氧电池的正极催化剂进行了电化学测试，结果显示NC@CNTs正极相比于纯CNTs正极具有更高的初始放电容量和更长的循环寿命。另外，由NC@CNTs作正极时电池性能提高，可能包括NC中存在的极少数Co单原子的催化贡献。
合成路径2中由Co2+和2-甲基咪唑配位，与CNTs合成ZIF-67@CNTs复合物，经过高温煅烧后生成具有3D导电碳网络的Co-NC@CNTs材料。ZIF-67衍生的Co-NC纳米颗粒作为碳网络节点，既具有微孔和介孔结构，又有丰富的催化ORR和OER的活性位点。CNTs 作为碳骨架增强了催化剂的导电性，相互交联的碳网络为容纳放电产物提供了巨大的空间。Co-NC@CNTs材料作为锂-氧电池正极催化剂，具有更加优异的循环性能，在电流密度为250 mA g-1，截止容量为500 mAh g-1时循环圈数为145圈，在电流密度为200 mA g-1时放电容量为12570 mAh g-1均优于Co-NC和纯CNTs正极催化剂。