南农汪快兵/港城大张其春发表Angew综述：金属-共价有机框架（MCOFs）引领高性能储能材料新方向- 大数跨境

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南农汪快兵/港城大张其春发表Angew综述：金属-共价有机框架（MCOFs）引领高性能储能材料新方向

科学材料站

2025-07-24

导读：南农汪快兵/港城大张其春发表Angew综述：金属-共价有机框架（MCOFs）引领高性能储能材料新方向

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文章信息

金属-共价有机框架（MCOFs）在能源储存中的设计策略、结构特征与应用综述

第一作者：王廉朝

通讯作者：汪快兵，张其春，张程，李超

单位：南京农业大学、香港城市大学、苏州科技大学、四川轻化工大学

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研究背景

共价有机框架（COFs）与金属有机框架（MOFs）因其高度有序结构和可调控性而广泛应用于能源、催化等领域。然而，COFs虽然稳定，但缺乏金属活性位点；MOFs则在稳定性方面有所欠缺。MCOFs的出现，融合了两者优点，不仅具备COFs的稳定骨架，还引入了丰富的金属活性中心，为电化学储能带来了新机遇。

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文章简介

近期，南京农业大学汪快兵，香港城市大学张其春、苏州科技大学张程和四川轻化工大学李超 作为共同通讯作者，在Angewandte Chemie International Edition上发表综述文章，其中南京农业大学为第一通讯单位，理学院研究生王廉朝为论文第一作者。该综述系统总结了金属-共价有机框架（Metal-Covalent Organic Frameworks, MCOFs）在储能领域的设计策略、结构调控方法与应用前沿。文章强调了金属节点引入后所赋予的电化学活性与结构稳定性提升，并展望了其在锂离子电池、锂硫电池、锌空气电池等器件中的广阔应用潜力。

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本文要点

要点一：三大合成策略助力精准结构构建

本文系统总结了MCOFs的三类合成策略：

直接合成法：金属离子与有机配体在一步反应中构筑MCOFs框架，操作简便但容易造成结晶度较低、结构不均一；
子组件自组装法：通过预设计的金属和配体单元自组装形成高度有序结构，有利于实现金属的精准定位与分布；
后合成金属化法：先合成COF结构，再引入金属离子进行配位或负载，具有较好的通用性和后调控能力，但金属分布均一性较难控制。

文章详细对比这三种方法的优缺点，并结合典型文献实例，构建了清晰的策略选择图谱

要点二：结构调控策略构建性能可调MCOFs

为了实现多功能协同，MCOFs的性能优化通常通过以下三种维度展开：

金属种类调控：如Cu、Co、Ni、Fe等金属可引入电化学活性、磁响应、催化活性等特性；
有机配体设计：通过引入含吡啶、蒽、羟基等功能基团实现结构刚性、电子结构调控与相互作用增强；
结构维度控制：1D链状、2D层状、3D骨架结构的有机-金属组合带来比表面积、电荷迁移通道和稳定性差异。

文章指出：二维MCOFs具有优异的层间离子通道，有利于实现快速储能；而三维MCOFs则更适合用于长循环的高能量密度电池。

要点三：MCOFs赋能多类型储能器件

该综述详细展示了MCOFs在多种储能系统中的具体应用与性能优势：

锂离子电池（LIBs）：如Cu-DT COF展现出>1260 mAh g⁻¹的容量和优异循环稳定性；
锂金属电池（LMBs）：MCOFs作为电解质涂层或中间隔离层可有效抑制锂枝晶生长；
锌空气电池（ZABs）：构建具有双金属中心的Co-PorBpy-Co COF，在ORR/OER双功能催化中性能优于商业Pt/C；
锂-二氧化碳电池（Li-CO₂）：MCOFs提供开放孔道与活性位点，有效促进反应动力学；
超级电容器：其高比表面积与多孔结构使其兼具电容性和法拉第型储能特性。

要点四：未来发展方向与挑战

尽管MCOFs在能源领域显示出巨大潜力，但当前研究仍面临诸多挑战：

金属节点分布均一性差：当前多数MCOFs在金属引入过程中仍存在团聚、不均匀配位等问题，影响其活性利用率与材料稳定性。
合成路径复杂、难以规模化制备：目前多数MCOFs合成依赖高温、高压或特殊前驱体，难以满足工业批量化要求。缺乏绿色、低成本的合成工艺仍是制约因素。
电极界面稳定性亟待优化：在全电池体系中，MCOFs与金属锂、氧化物正极等材料之间可能产生副反应，需开发界面缓冲层或稳定包覆策略。
机理研究仍显薄弱：电化学过程中MCOFs结构的动态演变、电荷/离子迁移机制等尚不清晰，迫切需要借助原位/准原位表征（如原位XAFS、电镜、光谱）与多尺度模拟协同推进。

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未来展望

精准配位设计：发展单原子分散、双金属协同等先进结构，提升活性位点利用率与反应选择性；
结构导电一体化构筑：引入π共轭体系、杂化碳材料或设计导电骨架，实现电子快速迁移；
界面工程：开发柔性接触界面与功能涂层，稳定MCOFs与金属电极之间的界面结构；
绿色工艺与产业化路径：探索水相、低温合成与模板辅助等策略，推进成本可控、环境友好的批量生产；
跨学科手段集成：结合先进表征与理论模拟手段，揭示构效关系，指导材料可预测设计。

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文章链接

L. Wang, R. Fu, C. Li, X. Yang, C. Zhang, M. Ouyang, K. Wang, Q. Zhang, Metal‐Covalent Organic Frameworks: Design Strategy, Structure Feature, and Applications in Energy Storage. Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202513165. DOI: 10.1002/anie.202513165

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202513165

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通讯作者简介

汪快兵简介：汪快兵教授是中国南京农业大学理学院化学系副教授。2013年在南京大学化学化工系王志林教授的指导下获得博士学位，2019年在南洋理工大学材料科学与工程学院张其春教授课题组做访问学者，新加坡。迄今在各种化学类期刊上发表SCI论文60余篇，h-index为30，他引3300余次，曾任Frontiersin Chemistry，Materials杂志的客座编辑，现任eScience, Information & Functional Materials, Progress in Natural Science: Materials International, Chinese Journal of Structural Chemistry等期刊青年编委。期间担任JACS, Angew Chem, Chemical Science、Chem. Eur. J.、Nanoscale、CrystEngComm、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊的审稿人。

研究方向

（1）导电、缺陷型配合物单晶材料（MOFs）、MOFs衍生的无机复合材料等的性能与机制探究；（2）各类材料在超级电容器、锂离子电池、电催化储能方面的应用研究；（3）生物质碳点材料的农业性能研究。目前课题组重点关注2D配合物单晶材料、粉体材料与模板合成的碳点、无机碳、氧化物材料及复合材料的能量存储性能。

张其春简介：香港城市大学教授, 英国皇家化学学会会士，加州大学河滨分校博士。2007-2008年在美国西北大学任博士后研究员。2009年加入新加坡南洋理工大学任副教授，2020年转入香港城市大学任教授。目前担任J. Solid State Chemistry和Susmat副主编，曾任CCS Chem.、Adv. Mater.和J. Mater. Chem. C等期刊特邀编辑。研究兴趣主要聚焦于富碳共轭材料及其应用。迄今为止，在Nat. Chem.、Nat. Commun.、JACS、Adv. Mater.和Angew. Chem.等国际著名学术期刊上发表论文 565 篇（H 指数：117），授权专利 20 件。2018-2024 年连续入选科睿唯安高被引科学家榜单（Top 1%）。

张程简介：苏州科技大学物理科学与技术学院副教授。

2019-2020年前往新加坡南洋理工大学张其春教授团队进行联合培养。江苏省双创人才。主要研究方向为有机半导体、二维功能材料设计与合成，以及在阻变存储器和人工突触领域的应用。目前已在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, Org. Chem. Front.等国际知名期刊上发表SCI论文40余篇。H-index: 26.

李超简介：现任四川理工学院物理与电子工程学院讲师，在电子科技大学材料科学与工程学院材料与能源学院获得博士学位，2019年至2020年，加入张启春教授课题组，在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院攻读博士学位，主要研究方向为有机储能材料及其应用。