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Chem：云大林欣蓉團隊在有機框架電池取得研究成果

來源：云南大學      2022-10-14
導讀：近日，云南大學化學科學與工程學院林欣蓉課題組在Cell的姊妹刊Chem (IF=25.832）上發表了一篇題為“Molecular engineering of interplanar spacing via π-conjugated phenothiazine linkages for high-power 2D covalent organic framework batteries”（https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.09.015）的研究成果。第一作者為化學科學與工程學院碩士研究生李衛平，通訊作者為化學科學與工程學院林欣蓉副教授，第一單位為云南大學化學科學與工程學院，教育部自然資源藥物化學重點實驗室。
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圖1.PTZ-TFP-COF中的離子存儲機制示意圖。(A)由π共軛的雜芳吩噻嗪和羰基組成的電容式儲存和法拉第反應的組合。(B)電子顯微鏡圖像顯示，Li+物種存在于PTZ-TFP-COF的層間空間。(C)用密度泛函方法研究了PTZTFP-COF的靜電勢分布。
二維共價有機骨架（2D-COF)為有機電極提供了一個很有吸引力的平臺，但由于Li+在密集的π-π層間嵌入不良而導致功率能力和容量較低。課題組以非平面π共軛雜芳鍵為特征，具有蝴蝶構象的吩噻嗪首次被整合為結構支架，即時調整堆積拓撲結構和平面間距。波紋狀2D-COF保持了芳香性和結晶性，具有良好的電活性，增大了d層間距，并可接近內部Li+相互作用中心，具有良好的循環壽命，彌合了功率和能量之間的性能差距。機理研究揭示了π-Li+相互作用促進的以電容存儲為主的雙重存儲機制，以及增強了羰基的氧化還原活性以獲得更好的化學可及性（圖1)。這些發現闡明了雜芳烴分子水平d間距調節的內在效應。理論計算和實驗結果相結合的綜合機理研究表明，分子調諧d間距實現的電容存儲和法拉第反應之間的協同作用導致了PTZ-TFP-COF特別是在高速率下具有顯著的性能，為有機多孔儲能材料的層間工程提供了新的設計概念。目前正在探索多功能的π共軛雜芳香族來構建2D-COF，并系統地研究它們在不同彎曲角度和堆積拓撲下的層間工程效應。這項工作為設計高功率、高能量的儲能裝置提供了一條新的途徑。
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圖2.25oC時鋰負極的電化學性質和電池性能。(A)模擬了PTZ-TFP-COF的HOMO和LUMO能量。(B)0.2 mV/s時PTZ-TFP-COF的循環伏安曲線。(C)PTZ-TFP-COF電極在100 mAg-1下的恒流充放電曲線。(D)PTZ-TFP-COF在不同電流密度（100-5000 mAg-1)下的倍率能力。(E)展示了PTZ-TFP-COF在1000 mAg-1下的長期循環穩定性。
研究結果表明，非平面π共軛雜環骨架提高了層間可達性和顯著的高速率和高容量Li+存儲。設計中的PTZ-TFP-COF包括一個萘基吩噻嗪調節層間距離，和一個三烷基羰基節點單元提供氧化還原功能。采用吩噻嗪支架和2D-COFs的調整包裝，而不損失芳香性和結晶性，觀察到層間距瞬間增大3.9 ?和自脫落，不需要外部脫落或后修飾。因此，在100 mA g-1 （0.33 C －速率）下可獲得773 mAh g-1的優良容量，而在3200 mA g-1 （10C －速率，充電6分鐘）下仍可獲得220 mAh g-1的比容量。在1000 mA g-1 (3.3C-rate)條件下，2000次循環后具有良好的循環穩定性，容量保留率為90%。（圖2)
本研究得到了國家自然科學基金（22065037,52003231)，云南省基礎研究計劃優青項目（202201AW070015)的資助。
參考資料：http://www.news.ynu.edu.cn/info/1101/28210.htm


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