Angew. Chem. :基于有机分子插入共价有机框架的超级电容器

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随着自然资源消耗量不断增大,能源消费供求不平衡压力迅速加剧,发展储能技术对未来能源供应体系的重要作用日益凸显。共价有机框架(COFs)通过共价键连接构筑单元构建的高度有序框架结构,具有高比表面积、规则孔道结构以及官能团可修饰性等独特优势,使其成为潜在的超级电容器电极材料。然而,COFs固有的不良导电性使其氧化还原位点无法获得足够的电子以激活电化学反应,限制了化学能和电能之间的相互转换,阻碍其在超级电容器体系中的应用。


近日,南昌大学-东华理工大学邱建丁教授团队采用有机分子非共价键插入策略,将富电子的客体有机分子引入到缺电子的COFs主体分子空腔中,构建了有机分子/COFs组装体,组装体中共价键与非共价键之间的协同作用促进了体系中电荷快速传递,增强了导电性,激活了COFs骨架中的氧化还原位点,从而获得优异的能量储存行为。



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首先,COFs的高比表面积、规则孔径以及周期性排列结构使其具备承载有机客体的能力和容量;其次,在COFs的构筑单元中引入了驱动非共价作用产生的官能团;最后,COFs骨架中丰富有序的非共价结合位点,可与客体分子进行相互作用,从而将非共价键作用引入COFs组装体中,形成分子插入体系。

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非共价键的引入缩短了COFs中自由电荷的传输路径,提高了COFs的电荷传输效率。分子插入体系中自由电荷的快速传输,能够高效激活氧化还原位点。氧化还原活性基团的高效利用率促进了化学能与电能相互转换过程,体系中发生的一系列可逆的氧化还原反应使电荷能够被有效储存,最终获得优异的赝电容储能行为。

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将其他种类的非共价键引入COFs中,同样观察到相比于单独COFs优异的充放电性能,充分表明在COFs中引入非共价相互作用的方法对改善储能行为具有通用性。同时,分子插入体系的储能行为与客体分子和COFs之间的相互作用强度具有相关性。通过在COFs中引入非共价键,能够高效提高并灵活调节COFs的储能行为,为开发新型通用性电极材料提供了指导性的策略与思路。

文信息

Rapid Charge Transfer Enabled by  Noncovalent Interaction through Guest Insertion in Supercapacitors based  on Covalent Organic Frameworks

Qiao-Qiao Jiang, Xun Wang, Qiong Wu, Ya-Jie Li, Qiu-Xia Luo, Xiang-Lan Mao, Yuan-Jun Cai, Dr. Xin Liu, Prof. Ru-Ping Liang, Prof. Jian-Ding Qiu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202313970

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