水系電池由于其固有的安全性、成本效益和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，已成為大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的有競(jìng)爭(zhēng)力的候選者。然而，傳統(tǒng)的水系電池負(fù)極材料缺乏酸堿共耐受性，在循環(huán)過(guò)程中存在枝晶、鈍化和腐蝕問(wèn)題。例如，鉛陽(yáng)極通常在酸性條件下工作，過(guò)早鈍化導(dǎo)致只有200-400圈循環(huán)壽命;金屬氫化物(MmH)通常適用于堿性條件，而循環(huán)時(shí)體積的膨脹-收縮對(duì)循環(huán)壽命有不利影響;鋅陽(yáng)極在弱酸性或堿性條件下工作，但重復(fù)的沉積/剝離過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋅枝晶、析氫和腐蝕反應(yīng)。
共價(jià)有機(jī)框架(COF)是一種很有前途的電極材料，其結(jié)構(gòu)中具有可設(shè)計(jì)的活性位點(diǎn)基團(tuán)(N=N, C=N和C=O)和由精細(xì)拼接的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)塊組成的周期骨架。然而，大多數(shù)COFs材料在惡劣的化學(xué)環(huán)境，例如在酸性和堿性環(huán)境中面臨穩(wěn)定性差的問(wèn)題，這使它們無(wú)法保持結(jié)構(gòu)完整性。COFs的不穩(wěn)定性一般來(lái)源于將有機(jī)分子單元網(wǎng)狀在一起的可逆共價(jià)鍵，這種可逆性極大地限制了COFs的化學(xué)穩(wěn)定性。
近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的呂海明副研究員，廣東工業(yè)大學(xué)的張海燕教授，香港城市大學(xué)的支春義教授合作，報(bào)道了一種含有吡嗪(C=N)和苯胺(-NH-)基團(tuán)的共價(jià)有機(jī)框架(HPP-COF)作為長(zhǎng)循環(huán)和高倍率的酸性和堿性電池陽(yáng)極。
HPP-COF通過(guò)親核芳香取代(SNAr)反應(yīng)生成，這可以降低共價(jià)鍵的可逆性，生成穩(wěn)固的-NH-共價(jià)鏈接，為框架提供優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性；其次，HPP-COF的-NH-基團(tuán)與水分子形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)能避免H+/OH-的攻擊。HPP-COF的穩(wěn)固共價(jià)鍵協(xié)同氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可有效提高化學(xué)穩(wěn)定性。此外，氫鍵網(wǎng)絡(luò)還促進(jìn)了H+/OH-通過(guò)Grotthuss機(jī)制的快速傳輸。 因此，HPP-COF在酸性和堿性電解質(zhì)中保持高耐酸堿性，并表現(xiàn)出優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和速率性能(在1 M H2SO4電解質(zhì)中66.6 mAh g-1@ 30 A g-1并且超過(guò)40000次循環(huán); 在1 M NaOH電解質(zhì)中91.7 mAh g-1@ 100 A g-1并且在30 A g-1下超過(guò)30000次循環(huán))。該工作為COF材料在酸性和堿性電池中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)辟了新的方向。 論文信息 A Covalent Organic Framework as a Long-life and High-Rate Anode Suitable for Both Aqueous Acidic and Alkaline Batteries Yilun Lin, Huilin Cui, Chao Liu, Ran Li, Shipeng Wang, Guangmeng Qu, Zhiquan Wei, Yihan Yang, Yaxin Wang, Zijie Tang, Hongfei Li, Haiyan Zhang, Chunyi Zhi, Haiming Lv Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202218745
