水系電池由于其安全性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種具有潛力的新興儲(chǔ)能設(shè)備。電極材料作為電池的關(guān)鍵部件，對(duì)電池的性能起著至關(guān)重要的作用。共價(jià)有機(jī)框架(COFs)由于其可調(diào)節(jié)的多孔結(jié)構(gòu)和豐富的內(nèi)置功能基團(tuán)，近年來(lái)被認(rèn)為是一種極具前景的電極材料，開(kāi)發(fā)基于COFs材料的水系電池仍有很大的研究空間。
近日，中科院福建物構(gòu)所的溫珍海研究員和天津大學(xué)的陳龍教授合作，提出了一種新型的混合酸/堿全COFs電池，該電池由芘-4,5,9,10-四酮(4KT)基COF/還原氧化石墨烯(4KT-Tp COF/rGO)作為酸性介質(zhì)運(yùn)行的陰極，配以蒽醌(AQ)基COF (DAAQ-Tp COF)為堿性介質(zhì)運(yùn)行的陽(yáng)極。在這種混合酸/堿全COFs電池中，陰極COF能在酸性電解液中以相對(duì)較正的電位工作，而陽(yáng)極COF能在堿性電解液中以相對(duì)較負(fù)的電位運(yùn)行，并通過(guò)液流電池的膜電極電池設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒅苽浜玫腃OFs陰極和陽(yáng)極緊貼在陰離子交換膜(AEM)和陽(yáng)離子交換膜(CEM)的表面，以提供更好的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的電池構(gòu)造。
混合酸/堿全COFs電池的主要工作機(jī)理如圖(a)所示。在電池的放電過(guò)程中，DAAQ-Tp COF陽(yáng)極中的K2AQ單元的C-O-K會(huì)被氧化成C=O基團(tuán)，并為陰極提供電子。與此同時(shí)，4KT-Tp COF陰極中的4KT單元的C=O基團(tuán)能夠接收電子并與質(zhì)子結(jié)合被還原成酚羥基（C-OH）。同時(shí)，陽(yáng)極電解液中的K+和陰極電解液中的SO42-可以穿過(guò)CEM和AEM以形成完整回路并保持電池內(nèi)部的電荷中性。而在充電過(guò)程中，發(fā)生的是與上述相反的過(guò)程，并且也是可逆的。 混合酸/堿全COFs電池能在0 ~ 2 V的寬電壓窗口工作，在1 A g-1時(shí)能輸出92.97 mAh g-1的較高放電比容量，而在795.97 W kg-1時(shí)的能量密度有74.2 Wh kg-1（基于正負(fù)極COFs材料的總質(zhì)量）。該電池在300次循環(huán)運(yùn)行中具有良好的穩(wěn)定性。 該工作提出的混合酸/堿全COFs電池有望推動(dòng)新型儲(chǔ)能設(shè)備的研發(fā)，為為開(kāi)發(fā)先進(jìn)電池提供高效的電極材料以及提高水系電池的性能開(kāi)辟了新途徑。 論文信息 Hybrid Acid/alkali All Covalent Organic Frameworks Battery Yunpeng Xu, Pingwei Cai, Kai Chen, Qingsong Chen, Prof.?Dr. Zhenhai Wen, Prof. Long Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202215584
