【人物与科研】中科院福建物构所王要兵课题组：功能化的共价有机骨架材料用于太阳能到电化学能的直接存储

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导语

将太阳能存储在电化学储能器件中，是解决太阳能间歇性供应、实现其广泛应用的有效方法。传统的方法是通过长的导线将太阳能电池与储能装置相连，引入长导线会导致欧姆损耗，从而降低太阳能的转化和存储效率。设计和制备高效（光）电功能电极材料，发展和构建简单的两电极体系器件，是获得高效低成本的光辅助电化学能量存储设备的关键。共价有机骨架材料（COFs）是一类新兴的多孔聚合物， 它可以精确地将需要的结构单元组装成具有开放孔道的坚固网状结构，因此它提供了一种将氧化还原活性位点和有机半导体分子组合在具有高度可设计性的刚性网络内的新策略。近日，中国科学院福建物质结构研究所王要兵课题组及其合作者袁大强课题组在该研究领域取得了突破性的进展（Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201806596）。

王要兵研究员简介

王要兵博士于2003年本科毕业于湖北大学化学与材料科学学院，2008年在中国科学院化学研究所获得物理化学博士学位（导师：姚建年院士），随后在美国加州大学河滨分校化学系从事博士后研究（合作导师：Chris Bardeen）。2009年回国于深圳从事石墨烯产业化项目工作。2012年12月以高层次人才引进到中国科学院福建物质结构研究所工作，任研究员、课题组长。在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Func. Mater., Nano Energy, J. Mater. Chem. A等国际著名期刊上发表文章三十余篇，并获得授权专利40余篇。

前沿科研成果

功能化的共价有机骨架材料

用于太阳能到电化学能的直接存储

近日，中国科学院福建物质结构研究所的王要兵课题组和袁大强课题组报道了一种利用同时具有光吸收和可逆电化学能量存储的双功能材料，直接将太阳能转化为电化学能的新方法。首先，袁大强课题组的谭衍曦博士合成了具有萘二酰亚胺（NDI）和三苯胺（TPA）单元的共价有机骨架材料（NT-COF），该二维多孔NT-CO纳米片的比表面积高达1276 m²/g。王要兵课题组的吕江泉博士对其进行了详尽的光化学/电化学的表征，揭示了NT-COF内部从TPA到NDI单元高效的分子内电荷转移以及该材料高度可逆的电化学反应。以NT-COF为锂离子电池的阴极材料，在光照下，充电电压降低0.5 V，放电电压增大0.5 V，整个电池的效率提高了38.7%，实现了对太阳能的有效利用。本工作以同时具有可逆电化学性质和分子内电荷转移协同作用的双功能阴极材料为基础，设计了一种新型的太阳能-电化学能量转换/存储系统，为替代集成太阳能电池和电池系统提供了新的思路。

通过简单的脱水缩合反应，作者成功得到了NT-COF材料。由X射线粉末衍射分析和结构模拟可知，该材料具有良好的结晶性，属于六角空间群（P-31m）。该材料的比表面积高达1276 m²/g，孔径分布集中在1.2-3.0 nm（图1）。这种刚性结构有利于该材料在后续的电化学反应中保持稳定，同时，高的比表面积和丰富的孔结构也有利于其在电化学反应中的传质过程。

图1. NT-COF的合成和结构示意图及其表征

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

该NT-COF中的萘二酰亚胺（NDI）和三苯胺（TPA）作为缺电子单元和富电子单元，常被应用于有机光电子器件中。为了探究NT-COF的光学性质，作者对其进行了详尽的表征。对比NT-COF和两个单体材料的固体紫外吸收和荧光吸收、发射谱图，作者推测NT-COF中存在分子内电荷转移过程。飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）结果进一步证明了NT-COF中发生了从TPA单元到NDI单元的有效分子内电荷转移，且电荷转移效率很高。

图2. NT-COF的光学性质表征

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

循环伏安法测试结果表明，NT-COF的氧化还原反应具有可逆性。当作为锂离子电池阴极材料时，NT-COF中的C=O可作为可逆脱锂和嵌锂的位点。在光照下，NT-COF的氧化还原峰位置发生了偏移，证明光电转化过程能有效地与电化学过程耦合起来。

图3. NT-COF的电化学表征

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

由于NT-COF同时具有光电响应以及可逆脱锂嵌锂两种功能，作者以NT-COF作为锂离子电池阴极材料，在光照下，探究了电池性能的变化。从图4可知，在恒电流充放电时，光照使得充电电压降低约0.5 V，放电电压增大约0.5 V，且在多次光暗交替循环下，该器件仍然保持稳定。

图4. 以NT-COF为阴极材料的锂离子电池在光照下的响应

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

一系列结果表明，作者设计的这类COF材料同时具有太阳能利用以及能量存储的能力，有望为新一代太阳能储能器件的设计提供新思路。

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