Metal and Covalent organic framework (MOFs, COFs) electrodes for high efficiency energy storage systems

Abstract

The growing global demand for efficient and sustainable energy storage technologies has accelerated the search for new, advanced electrode materials that combine high capacity, long cycling stability, and versatility across diverse electrochemical systems. Porous frameworks including metal–organic frameworks (MOFs), carbonized MOF-derived carbons (CMOFs), and covalent organic frameworks (COFs) have emerged as a highly promising class of materials for this purpose, owing to their tunable porosity, large specific surface areas, and the possibility of incorporating redox-active sites directly into the framework structure. Despite considerable recent progress, the rational design of such materials for specific battery chemistries remains an open challenge, and the structure–function relationships governing their electrochemical behavior are not yet fully understood. This thesis mainly focuses on three complementary studies, each targeting a distinct porous framework electrode material and electrochemical energy storage system. The first study concerns a dual metal–organic framework combining manganese and iron ions with trimesic acid (Mn-Fe-BTC DMOF) as a cathode material for lithium metal batteries (LMBs). The second study investigates MOF-5-derived carbon materials (CMOF-5) obtained at systematically varied carbonization temperatures as cathodes for zinc-ion hybrid supercapacitors (ZnHSCs). The third study evaluates a redox-active covalent organic framework built from tetrakis(4-aminophenyl)-1,4-phenylenediamine (TPA) and naphthalene diimide (NDI) units (COF TPA-NDI) for application in aluminum-ion batteries (AIBs). Moreover, the doctoral thesis is divided into six chapters.

Rosnące globalne zapotrzebowanie na efektywne i zrównoważone technologie magazynowania energii przyspieszyło poszukiwania nowych, zaawansowanych materiałów elektrodowych, łączących wysoką pojemność, długotrwałą stabilność cykliczną oraz uniwersalność w różnych układach elektrochemicznych. Materiały porowate, w tym sieci metaloorganiczne (MOF), materiały węglowe powstałe w procesie karbonizacji (CMOF) oraz kowalencyjne sieci organiczne (COF), okazały się wysoce obiecującą klasą materiałów w tym zakresie, dzięki modyfikowalnej porowatości, dużej powierzchni właściwej oraz możliwości wprowadzenia centrów redoks-aktywnych bezpośrednio w strukturę sieci. Mimo znacznego postępu poczynionego w ostatnich latach, racjonalne projektowanie tego typu materiałów dla konkretnych chemii ogniw pozostaje wciąż otwartym wyzwaniem, a zależności strukturalno–funkcjonalne determinujące ich zachowanie elektrochemiczne nie są jeszcze w pełni poznane. Niniejsza rozprawa skupia się głównie na trzech komplementarnych badaniach, z których każde dotyczy odrębnego materiału elektrodowego oraz odpowiadającego mu elektrochemicznego systemu magazynowania energii. Pierwsze badanie dotyczy bimetalicznej sieci metaloorganicznej łączącej jony manganu i żelaza z kwasem trimezynowym (Mn-Fe-BTC DMOF) jako materiału katodowego dla baterii litowometalicznych (LMB). Drugie badanie obejmuje materiały węglowe pochodzące z sieci metaloorganicznej MOF-5 (CMOF-5) otrzymywane w procesie karbonizacji prowadzonej w zmiennych temperaturach, wykorzystywanych jako materiały katodowe w hybrydowych ogniwach cynkowo-jonowych (ZnHSC). Trzecie badanie dotyczy oceny redoks-aktywnej kowalencyjnej sieci organicznej zbudowanej z jednostek tetrakis(4-aminofenylo)-1,4-fenylenodiaminy (TPA) oraz diimidu naftalenowego (NDI) (COF TPA-NDI), przeznaczonej do zastosowania w bateriach glinowo-jonowych (AIB). Praca doktorska została podzielona na 6 rozdziałów.