近日，化材院賓德善/李丹團隊在面向低成本鉀離子電池體系應用的共價有機框架（COF）負極材料研究方面取得重要進展，相關結果以“Multiple Accessible Redox-Active Sites in a Robust Covalent Organic Framework for High-Performance Potassium Storage”為題發表在國際權威學術期刊《JACS》（美國化學會志，IF=16.38）上。

鉀離子電池具備資源豐富、輸出電壓高等優勢，有望在大規模儲能、智能電網等多領域發揮重要價值。然而，K⁺的離子半徑較大，其嵌入電極材料後引起嚴重體積膨脹，容易引發電極結構衰退，進而造成電池容量和倍率性能快速衰減。共價有機框架（COF）材料具有資源豐富、可設計性強、結構穩定等優勢，有望成為設計具有突破性鉀離子電池負極的新平台。然而，COFs作為儲鉀負極的應用必須兼顧具備高的活性位點、穩定的結構和有效的電荷儲存通道。目前開發這樣的塊體（Bulk）COFs材料仍面臨巨大挑戰。團隊報道了一種具有多重高效儲鉀位點的sp²-C共轭（π-共轭）塊狀共價有機框架材料（TQBQ-COF）用作高容量、能快速穩定儲鉀負極材料。

作者先對TQBQ-COFs結構單元進行了密度泛函理論(DFT)計算，以評估K⁺在TQBQ-COF負極中存儲的可能性和可行性。該研究通過理論計算預測，共轭體系中的C=O、C=N基團和陽離子-π相互作用位點為K⁺的儲存提供了豐富的氧化還原活性位點，并且可以緩沖鉀化後的電極的體積形變。

通過實驗将環己六酮(CHHO)和2,3,5,6-四氨基苯醌(TABQ)進行縮聚反應，合成了TQBQ-COF。該COF中含有豐富的活性基團和多孔結構，展現出優異的儲鉀容量和快速的反應動力學。實驗表征表明，該COF在電解液中的難溶解性和鉀化後的低體積膨脹率可以使電極材料在反複充放電過程中高度循環穩定。電化學表征結果表明，作為儲鉀負極，該COF可在30 mA g^-1的電流密度下獲得423 mAh g^-1的高可逆比容量，優異的倍率性能和良好的循環穩定性。

多種表征手段結合理論計算均表明了C=O、C=N基團和陽離子-π效應可以為K⁺的存儲提供有效的氧化還原活性位點。本研究為高性能儲鉀的塊狀COF負極的設計開辟了新途徑，同時也為高性能鉀離子電池COF負極的儲鉀機制提供了新的思路。碩士生陳雪玲及謝默老師為本文共同第一作者。

該成果得到了國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目、廣東省重大基礎與應用基礎計劃、廣東省自然科學傑出青年基金、廣州市科技計劃項目和太阳集团app首页等項目的資助。

原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c11264?ref=pdf