​李丹/宾德善JACS：突破！COF基负极创储钾有机负极最佳综合性能！

具有多孔性和坚固结构的共价有机框架（COF）材料对钾离子电池（KIB）负极具有重要的应用意义，但它们受到可逆容量低和倍率能力差的限制。

图1. TQBQ-COF中K⁺存储的理论计算和示意图

暨南大学李丹、宾德善等基于理论计算发现在π-共轭周期骨架中具有大量吡嗪和羰基的多孔体COF可以为高性能钾存储提供多个可访问的氧化还原活性位点。具体而言，作者证明了在sp2-碳共轭（π-共轭）的周期性骨架中含有三喹啉（TQ）和苯醌（BQ）单元的块状COF（TQBQ-COF）可以作为可靠的负极，以用于高容量、快速和稳定的K⁺储存。

理论计算表明，C=O、C=N的基团以及共轭周期性骨架的阳离子-π相互作用位点可以为K⁺的储存提供丰富的氧化还原活性位点，并且在钾化后只引起小的体积变形。同时，C=O和C=N基团中的双键赋予了这个sp2-碳共轭框架高稳定性和令人印象深刻的储钾电子传导性。

图2. 半电池KIBs中TQBQ-COF负极的电化学性能

在理论计算的启发下，作者合成了这种TQBQ-COF，并证明它可以在可逆容量（0.1C时为423 mAh g^-1）、高倍率能力和循环性（3C时2000次循环中每循环容量衰减∼0.021%）方面实现前所未有的卓越组合。这些容量、倍率和循环性是以前报道的有机负极中的最佳值。

综合表征证实，多重氧化还原活性主要由C=O、C=N和阳离子-π效应贡献，这与理论模拟结果非常一致。

此外，该多孔COF负极还发现了一种以表面为主的K⁺储存机制，这有利于K⁺的快速传输和稳定储存，且体积变形小。这一贡献不仅为设计具有非凡综合性能的KIBs的COF负极开辟了一条新的途径，而且为COF负极的K⁺储存机制提供了深入的研究。

图3. 表面主导的K储存的定量分析和电极的稳定性表征

Multiple Accessible Redox-Active Sites in a Robust Covalent Organic Framework for High-Performance Potassium Storage. Journal of the American Chemical Society 2023. DOI: 10.1021/jacs.2c11264