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【4KT-Tp COF】混合酸碱全共价有机框架电池
天津大学陈龙教授团队、中国科学院福建物质结构研究所温珍海老师团队在(Angewandte Chemie International Edition 2023, 62, e202215584）中报道，设计了一种混合酸碱全共价有机框架（COF）电池，将芘 - 4,5,9,10 - 四酮基 COF（4KTTp COF/rGO）阴极与蒽醌基 COF（ DAAQTp COF (点击进入相关产品链接) ）阳极耦合。该电池利用阴极在酸性电解液中（高电位）与阳极在碱性电解液中（低电位）的适配性，实现了 2.0 V 宽电压窗口，放电容量达 92.97 mAh g⁻¹，能量密度 74.2 Wh kg⁻¹，且 300 次循环稳定性良好。该概念验证为开发低成本、高性能储能设备提供了新思路。
研究背景
1）行业问题
水性电池因安全性高、成本低成为新兴储能设备，但电极材料面临导电性不足、电压窗口窄（通常 < 0.5 V）、传统锌阳极存在自腐蚀、析氢、枝晶生长和利用率低等问题。
COF 作为多孔晶态聚合物，虽具备丰富活性位点和可调孔隙结构，但其电导率低，且单一电解质中阴阳极 COF 氧化还原电位接近，导致全 COF 电池电压平台低。
2）研究现状
已有研究将 COF 用于锌基电池阴极（如菲咯啉 COF、氢醌 COF），利用 C=N 或 C=O 基团实现高容量储锌，但阳极仍依赖金属锌，未实现全 COF 电极配置。
部分 COF 电极对电解液 pH 敏感，例如醌基 COF 在酸性中高电位运行，蒽醌基 COF 在碱性中低电位稳定，为分酸碱电解液设计提供了依据。
3）本文创新
首次提出混合酸碱全 COF 电池，通过阴极（酸性）与阳极（碱性）分电解液设计，拓宽电压窗口至 2.0 V，突破单一电解质中电位接近的瓶颈。
阴极引入还原氧化石墨烯（rGO）提升导电性，阳极利用蒽醌基 COF 的碱性适配性，实现高容量与循环稳定性。
实验和分析
1）材料合成与表征
合成方法：溶剂热法制备 4KTTp COF/rGO（芘四酮与对苯二甲醛缩合，原位生长于 rGO）和 DAAQTp COF（蒽醌衍生物与对苯二甲醛缩合）。
关键表征：
结构：PXRD 显示 4KTTp COF 和 DAAQTp COF 均有良好结晶性，FT-IR 证实亚胺键和 C=O 活性基团存在。
形貌：SEM/TEM 显示 4KTTp COF/rGO 为 rGO 负载纳米片，DAAQTp COF 为堆叠短纳米棒，孔径均约 2.3 nm。
比表面积：4KTTp COF/rGO 为 492 m² g⁻¹，DAAQTp COF 为 561 m² g⁻¹，利于离子传输。
2）应用性能测试
单电极性能：
阴极（酸性）：0.5 M H₂SO₄中，4KTTp COF/rGO 放电容量 185.56 mAh g⁻¹（0.5 A g⁻¹），300 次循环容量保持率 > 95%。
阳极（碱性）：0.1 M KOH+0.5 M K₂SO₄中，DAAQTp COF 容量 123.28 mAh g⁻¹（1.0 A g⁻¹），高电流密度下性能优异。
全电池性能：
电压窗口 2.0 V，开路电压 1.24 V，放电容量 92.97 mAh g⁻¹（1.0 A g⁻¹），能量密度 74.2 Wh kg⁻¹，300 次循环容量保持 84.7%。
3）性能原因分析
导电增强：rGO 提升阴极导电性（0.78 S/cm vs 纯 COF 的 8×10⁻⁷ S/cm），加速电子传输。
pH 适配：阴极酸性环境激活高电位 C=O 还原，阳极碱性环境促进蒽醌基 COK 键氧化，形成电位差。
结构优势：有序孔道（2.3 nm）促进离子扩散，高比表面积增加活性位点暴露，提升反应动力学。
总结
1）成功制备混合酸碱全 COF 电池，实现 2.0 V 宽电压窗口、92.97 mAh g⁻¹ 放电容量及 74.2 Wh kg⁻¹ 能量密度，循环稳定性优异。
2）首次构建全 COF 电极电池，利用酸碱分电解液设计解决电位接近问题。
通过 rGO 复合和结构调控提升导电性与离子传输效率。
3）为低成本、高安全性储能设备提供新策略，推动 COF 在电化学储能领域的实际应用。
Hybrid Acid/alkali All Covalent Organic Frameworks Battery
文章作者：Yunpeng Xu, Pingwei Cai, Kai Chen, Qingsong Chen, Prof. Dr. Zhenhai Wen, Prof. Long Chen
DOI：10.1002/anie.202215584
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215584
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