Nano Select:共价有机框架——从合成到电化学能源存储中的应用

随着清洁能源技术相关应用的发展,对高效储能新材料的研究和探索变得越发关键。相比于传统无机电极材料,有机材料近年来在能源相关领域的受到广泛的关注。其中,与金属有机框架(MOFs)具有相似结构的共价有机框架(COFs)逐渐成为成为各类储能应用中的热点方向。COF材料完全由轻元素(氢、硼、碳、氮和氧)组成,通过有机分子间强共价键链接而形成,具有有序、周期性的多孔结构。由于其特殊的合成化学,COF材料具有低密度、高结构稳定性和结构可调性等独特的物理和化学性质,在许多高性能电极和器件的应用中表现出巨大的潜力。

近日,南京理工大学杨梅副教授和夏晖教授受邀在Nano Select上发表了关于共价有机框架材料在电化学储能领域研究进展的综述性文章。综述中首先从合成化学、官能团种类及骨架结构设计等多个维度介绍了COF材料的基本要点。然后总结了COF材料在各种储能器件中的应用,着重对电荷储存机理和结构-性能构效关系进行了深入探讨。文章的最后综述了当前COF材料在储能领域面临的挑战并对未来的发展方向进行了展望。

COF材料在储能领域的应用具有许多独到的优势。首先,多元化的孔道为离子传输提供了快速通道,增加了电解液与活性物质的接触,大大缩短了离子扩散距离。其次,孔结构、面内强共价键、层间范德华力有效保持了结构的完整性,缓解了充放电过程中离子脱嵌入引起的结构变化。第三,有机共价键和官能团为离子的吸附、固定和氧化还原反应提供了多个活性位点。最后,选择性引入骨架有机分子及取代基实现了电化学性质的精确调控。具有不同电负性和极性的取代基能够调节离子与骨架之间的结合力,从而实现有效的性能优化。这些优势使得COF材料在锂(钠)离子电池、锂硫电池、金属-空气(二氧化碳)电池、超级电容器以及固态电解质等相关储能领域获得广泛的研究。

尽管目前的研究已经取得了一定进展,但COF材料的实用化仍面临着许多挑战。为了进一步提升COF的储能性能,作者认为在未来的相关研究中应重点关注以下重要研究方向:

(1)精细调控化学成分和材料结构实现新型COF材料的理性设计;

(2)COF与其他功能材料(如MOF、聚合物和氧化物)之间的协同效应的构筑及阐释;

(3)简便、高效及规模化的COF合成方法及反应途径的创新;

(4)实验与理论计算相结合对COF电荷储存机制的微观观测和解释;

(5)COF结构的精确表征及高质量单晶的制备。

综上所述,对于结构-性能关系的深入理解及合成方法的创新有利于推动COFs在储能领域中的进一步发展。

论文信息:

Covalent Organic Frameworks: from Materials Design to Electrochemical Energy Storage Applications

Jiamin Lin, Yiren Zhong, Lingyu Tang, Liuqi Wang, Mei Yang*, Hui Xia*

Nano Select

DOI:10.1002/nano.202100153

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/nano.202100153