暨大宁国宏/李丹教授团队、利物浦大学Andrew Cooper团队JACS封面：超薄聚酰亚胺共价有机框架纳米片助力高性能锂硫电池

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锂硫电池因其高理论容量、低成本和环境友好性而受到越来越多的关注，被认为是最有前景的下一代储能体系之一。然而，多硫化锂中间体的溶解和穿梭效应，循环过程中体积膨胀效应严重限制了其商业化的应用。共价有机框架（COF）是一类结构规整的晶态多孔材料，拥有多样的有机砌块，丰富的表面官能团，有序的孔道结构以及优异的稳定性，近年来被发展成为一种新型的锂硫电池载体材料。二维块体COF结构中通常由于有较强的π-π相互作用而层层堆叠，导致活性位点被深度包埋使得离子扩散难以触及，另外，一些缺陷与颗粒间的边界限制了电子和离子的传输，严重影响了其性能。COF纳米片具有均一的物理化学性质和电子性质，能最小化离子传输路径，比体相COFs展现出更高的活性位点利用率和更快的电荷传输动力学，可能是解决上述问题的有效策略。

鉴于此，暨南大学−宁国宏、李丹教授团队与利物浦大学Andrew I. Cooper团队通过改进之前氢键诱导组装聚合法的合成条件 (Haiyan Duan, Pengbo Lyu, Jingjing Liu, Yanli Zhao, and Yuxi Xu*, Semiconducting Crystalline Two-Dimensional Polyimide Nanosheets with Superior Sodium Storage Properties. ACS Nano, 2019, 13 (2), 2473–2480)，大批量制备出可液相超声剥离的层状高结晶聚酰亚胺共价有机框架（PI-COF），并成功将PI-COF及剥离的微米级超薄二维聚酰亚胺纳米片（PI-CONs）作为载体材料应用于高性能锂硫电池（图1）。

图1. PI-CONs及PI-CONs/S的合成示意图。

不同于以往通过溶剂热法或热回流法的策略制备PI-COF，这种氢键诱导的聚合法制备得到的PI-COF具有高的结晶性和明晰的类石墨层状结构，从而能够通过自上而下法高效剥离得到横向尺寸约为6微米、厚度约为1.2nm的超薄二维COF纳米片（图2和图3）。

图2. PI-COF的表征。

图3. PI-CONs的表征。

上述具有二维共轭多孔结构的PI-COF和PI-CONs含有丰富的羰基活性位点，能够与中间体多硫化物产生较强的相互作用，从而成功将可溶性多硫化物限制在正极材料区域内，实现锂硫电池性能的有效提升。研究人员通过理论计算研究证实了上述羰基与多硫化物的强相互作用，并通过一系列电化学实验测试了其性能 (图4)。结果表明PI-COF和PI-CONs均具有很高的可逆容量和出色的倍率性能 (在0.1 C下容量分别为1330/1205 mAh g^-1，在4 C电流密度下容量分别为620/503 mAh g^-1)，并且表现出稳定的循环性能 (在0.2 C下经100圈循环，容量保持96%)，上述优异的锂硫电池性能超越了绝大部分已报道的有机及聚合物锂硫电池载体材料。

图4. 锂硫电池性能测试。

这一成果近期以封面论文的形式发表在J. Am. Chem. Soc上，段海燕博士和李科博士为论文的共同第一作者，宁国宏教授、李丹教授和A. I. Cooper教授为论文的通讯作者，暨南大学为第一通讯单位。该论文得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、广东省重大基础与应用基础计划、广东省自然科学杰出青年基金、广东省青年珠江学者项目、中国博士后科学基金、广东省国际合作项目和暨南大学等的大力支持。

图5. JACS封面图。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08675

通讯作者简介

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宁国宏 教授

暨南大学 化学与材料学院

宁国宏，暨南大学化学与材料学院教授。2013 年于东京大学获得博士学位（导师Makoto Fujita教授）；2013年-2018年，在东京大学，新加坡国立大学（合作导师为Loh Kian Ping 教授）和利物浦大学（合作导师为Andrew I Cooper教授）从事博士后研究。2018年9月底就职于暨南大学化学与材料学院，并加入李丹教授团队。2019年获批广东省自然科学杰出青年项目，同年入选广东省“青年珠江学者”。宁国宏教授的研究领域为超分子化学，晶态多孔材料，有机储能材料等，至今已在Nat. Energy, Nat. Chem., Chem, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., 等期刊上发表论文30余篇。

Andrew I. Cooper 教授

利物浦大学

Andrew I. Cooper 教授，利物浦大学，2018年聘为暨南大学荣誉教授。英国皇家科学院院士，1991年 毕业于英国诺丁汉大学，并于1994年在该校获得博士学位。先后在北卡罗莱那大学和剑桥大学从事博士后研究。1999年以英国皇家科学院“大学研究特聘学者”加盟利物浦大学化学系。2018年担任Chemical Science的主编。Andy Cooper教授迄今为止在包括Nature及Nature系列杂志，Science，Angewandte Chem.，JACS，Advanced Materials等国际顶尖杂志发表文章 300多篇。研究兴趣包括：多孔有机笼、有机共聚微孔聚合物、新型功能化的聚合物的开发研究，材料催化，聚合物催化光分解水等。

李丹 教授

暨南大学 化学与材料学院

李丹教授，暨南大学化学与材料学院院长，专注从事超分子配位化学的研究工作。国家杰出青年基金获得者（2008年），英国皇家化学会会士（FRSC，2014年），中国化学会首批高级会员（2020年）。主持国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金重点项目和国家973计划（课题组长）等。在国际权威学术刊物如Nature, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Rev.等发表学术论文250多篇。获国务院“政府特殊津贴专家”，入选首届国家“万人计划”领军人才；曾获得广东省科学技术一等奖（第一完成人）、第十五届丁颖科技奖。

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