南开大学张振杰课题组Angew：质子传导高速通道助力多孔聚合物高效质子储能
当前能源和环境问题日益严峻，亟需发展太阳能、水能和风能等绿色清洁能源。然而这些绿色清洁能源需进一步转化和储存才可实现高效利用。超级电容器是一种先进的电化学储能装置，其因功率密度高、稳定性好、工作温度范围宽而备受关注。超级电容器分为双电层电容器和赝电容器，其中赝电容器能够提供更高比电容，是当前领域的研究热点。近年来，有机电极材料由于理论容量大、结构设计灵活、环境友好、价格低廉等优点，引起了科学家的日益关注。共价有机框架（COFs）是一类新型的多孔晶态有机聚合物，具有结构清晰、比表面积大、孔隙率可调、官能团可设计等特点。通过理性设计，易于将储能基团组装到COFs聚合物的规则有序结构中，同时COFs的多孔结构利于电解液的浸润、粒子（离子、电子等）的运输和活性部位的暴露，这些优点使COFs在储能方面显示出巨大的应用潜力。
南开大学化学学院张振杰课题组长期致力于开发新的合成方法来制备新型多孔聚合物，应用于仿生驱动、智能监测、离子传导等方向（Nat. Commun., 2021, 12, 1982；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 2974; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 6055; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3678; ACS Cent. Sci., 2020, 6, 787; ACS Cent. Sci. 2019, 5, 1352）。作者进一步发展了前期提出的“分步合成策略”，制备了两种高结晶性、高稳定性的COFs (NKCOF-2和NKCOF-8)。这两个COFs含有丰富的氧化还原活性基团和质子传导基团，展现出高的比表面积、良好的亲水性和优异的化学稳定性，这些特性为NKCOFs的储能应用提供了保障。进一步将NKCOFs与碳纳米管（CNTs）原位复合后，材料展现出了优异的电化学储能性能。电化学性质测试表明，材料表现出明显的赝电容性质，在0.5 A/g的电流密度下展现出440 F/g的高比电容，是最高的COF基超级电容器之一，并且在10 A/g的大电流密度下充放电循环10000次仍能保持90%的容量。组装的不对称超级电容器输出的最大能量密度为71 Wh/kg，最大功率密度为42 kW/kg，超过了报道的COF基材料。相关工作“Grotthuss Proton Conductive Covalent Organic Frameworks for Efficient Proton Pseudocapacitors”发表于《Angew. Chem. Int. Ed.》。
图1. 材料的合成路线图
图2. 材料的电化学性质
这项工作为设计高性能水系超级电容器储能材料提供了新思路。本论文的第一作者为南开大学化学学院助理研究员杨毅，通讯作者是南开大学化学学院张振杰研究员。该工作得到了国家自然科学基金、111工程和南开大学有机新物质创造前沿科学中心的支持。
原文链接：
Grotthuss Proton Conductive Covalent Organic Frameworks for Efficient Proton Pseudocapacitors
Yi Yang, Penghui Zhang, Liqin Hao, Peng Cheng, Yao Chen, Zhenjie Zhang*
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/ange.202105725
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202105725
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