南开大学张振杰课题组：高质子传导COFs用于高效质子储能本文来自微信公众号：X-MOLNe

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随着人们对可持续和便携式能源设备需求的不断增加，超级电容器（SCs）因其高功率密度、长循环稳定性和快速充放电能力而备受瞩目。超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能装置，包括赝电容器和双电层电容器。目前，水系赝电容器因其环境友好、成本低廉、能量密度较高、离子导电性好等优点受到广泛的关注。有机电极材料具有理论容量大、结构设计灵活、来源丰富等优点，是制备赝电容器的理想材料。共价有机骨架（COFs）作为一类新型的晶态多孔有机聚合物，具有规整的结构、高比表面积、可调节的孔道和易修饰官能团等优点，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;ACSCent.Sci.,2020,6,787;ACSCent.Sci.,2019,5,1352）。基于前期工作，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) 。这两种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。 CNT/NKCOF-2在0.5A/g时的比容量达到440F/g ，超过了绝大多数COF基电容器。材料还表现出良好的倍率性能和优异的长循环稳定性，在10A/g下循环10000次仍有90%的容量保持率。组装的不对称超级电容器同时具有高的能量密度（71kWh/kg）和高功率密度（42kW/kg），超过了已报道的COF基材料。

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【南开大学张振杰课题组：高质子传导COFs用于高效质子储能】图1.材料的制备路线图

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图2.材料的电化学性质
进一步实验表明NKCOFs具有较高的本征质子传导率（~10-3S/cm ， 298K ， 100%RH），其质子传导机制属于Grotthuss机制，即质子能在氢键网络内跳跃传递。这种传导机制能够让质子（沿水分子等形成的氢键网络）快速传递到深埋在堆叠框架内的氧化还原活性位点。 Grotthuss质子导电性和引入的电子导电性（CNTs）为NKCOFs的氧化还原反应铺设了两条高速通道，加快了反应动力学，提高了氧化还原活性基团的利用率，从而实现了高的功率密度和能量密度。

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图3.储能机理研究
这一成果近期发表在了Angew.Chem.Int.Ed.上，通讯作者是南开大学化学学院张振杰研究员，文章的第一作者为南开大学化学学院助理研究员杨毅。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。
GrotthussProtonConductiveCovalentOrganicFrameworksforEfficientProtonPseudocapacitors
YiYang,PenghuiZhang,LiqinHao,PengCheng,YaoChen,ZhenjieZhang*
Angew.Chem.Int.Ed.,2021,DOI:10.1002/anie.202105725
导师介绍
张振杰课题组
https://www.x-mol.com/groups/zhang_zhenjie