西北师大彭辉教授&西湖大学徐宇曦研究员Chem. Soc. Rev. 综述：共价有机框架用于金属-气体电池

第一作者：王子豪

通讯作者：彭辉*，徐宇曦*

单位：西北师范大学，西湖大学

随着全球能源需求的增长，金属-气体电池（MGBs，如Li-O₂、Li-CO₂和Zn-air电池）因其高能量密度和环境友好性而备受关注。然而，MGBs的实际应用受限于涉及气体的关键反应（ORR/OER/CO₂RR/CO₂ER）的缓慢动力学、电解液不稳定性及电极钝化等问题。传统的催化剂和多孔碳材料在活性位点密度、传质效率和稳定性方面存在不足。共价有机框架（COFs）作为一种新兴的结晶多孔聚合物，具有高度有序的孔道、可调控的化学结构和优异的稳定性，为突破MGBs的性能瓶颈提供了理想的平台。

近日，西北师范大学彭辉教授与西湖大学徐宇曦研究员合作在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Covalent organic frameworks for metal-gas batteries: fundamentals and applications”的重要综述文章。该综述系统总结了COFs在金属-气体电池中的结构优势，深入探讨了其合成策略及电催化机理。重点介绍了COF基材料作为电催化剂、复合正极材料、固态电解质及气体扩散层在Li-O₂、Li-CO₂和Zn-air电池中的应用进展（图1），并分析了当前面临的挑战与未来发展方向。

首先系统阐述了COFs在金属-气体电池中应用的结构优势。凭借其可设计的拓扑结构、可调控的化学微环境和独特的传质特性，COFs在金属-气体电池领域展现出多重优势，突破了传统材料的局限性。近年来，COFs发展迅速，已从单一的催化材料演变为覆盖电极、电解质和气体扩散层（GDL）的多功能平台（图2）。其核心优势源于以下关键特性：高比表面积和孔隙率、可调控的化学结构、高稳定性和多功能性。COFs具有极高的比表面积和可调的孔径（微孔至中孔），这不仅提供了丰富的催化活性位点，还显著增强了反应物（O₂、CO₂、离子）的传质效率。其独特的π共轭骨架赋予了材料优异的化学和热稳定性（>400°C），能耐受强酸/碱环境。此外，COFs可通过引入特定官能团（如-NH₂、-F）或金属配位中心（如Co-N₄）来精确调控电子结构，实现多功能协同。

为了实现COFs材料在电池中的高效应用，开发可控的合成方法至关重要。综述系统总结了包括溶剂热合成、离子热合成、微波辅助合成及机械化学合成法在内的多种合成策略，并特别强调了面向实际器件应用的COF薄膜原位生长技术。在机理层面（图3），综述深入探讨了COFs提升电池反应动力学的核心机制。COFs在金属-气体电池中的卓越性能归因于三个协同机制：（1）高效的电荷传输：通过扩展的π共轭网络和层间π-π堆积构建电子传输通道；（2）原子级活性位点设计：通过网状化学引入单原子金属中心（如Co、Ni）或非金属活性中心（如碳自由基），实现高选择性的催化（如4e- ORR路径）；（3）限域效应：有序纳米孔道可限制放电产物（Li₂O₂、Li₂CO₃）的成核生长，使其呈非晶态易分解，从而降低过电位。

针对锂-氧（Li-O₂）和锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池面临的反应动力学迟缓、放电产物（Li2O₂/Li₂CO₃）绝缘及电解液安全性等核心挑战，综述系统展示了COFs材料作为正极催化剂、复合正极基质、固态电解质（SSE）及气体扩散层（GDL）的多重应用（图4）。在Li-O₂电池中，COFs凭借其可设计的拓扑结构和精准的活性位点调制，不仅有效降低了充放电过电位，解决了电极钝化问题；还被开发为固态电解质和多功能气体扩散层，从而规避了有机液态电解质的易燃风险，并优化了三相界面的气体/离子传输效率。在Li-CO₂电池中，针对CO₂分子惰性强及Li₂CO₃难分解的瓶颈，综述突出了COFs骨架对CO₂的高亲和力。COFs既能作为CO₂的“捕集器”实现其可逆固定与转化，又能通过构建高效的电子/离子传输通道，显著加速CO₂还原（CO₂RR）与析出（CO₂ER）动力学，抑制副反应的发生。

锌-空气电池（ZABs）因其水系安全性和低成本优势备受关注，但其空气正极极度依赖高效的双功能催化剂。近年来，COFs材料凭借其可设计的孔结构、精确的活性位点调控能力和优异的化学稳定性，为突破ZABs的性能瓶颈提供了新的思路。综述从氧电催化、阴极设计、电解质改性和柔性器件开发四个方面系统阐述COFs在锌空气电池中的关键作用，并讨论其作用机制和未来发展方向（图5）。特别是在双功能氧电催化领域，为了替代昂贵的贵金属催化剂（Pt/C, RuO₂），综述总结了三种基于COFs的核心策略：（1）引入金属活性位点，增强COFs的本征催化活性；（2）无金属骨架设计，通过有机框架的精准工程化实现催化；（3）前驱体衍生策略，利用COFs热解制备高性能碳基催化剂。这些策略不仅显著提升了电池的能量转换效率，还为开发柔性、可穿戴ZABs器件奠定了材料基础。

尽管COFs在金属-气体电池领域已取得令人瞩目的进展，但距离大规模商业化应用仍面临诸多挑战（图6）。文章最后客观指出了当前研究的瓶颈：包括绝大多数COFs本征导电性较差、合成成本较高以及在极端工况下长期稳定性不足等问题。对此，综述提出了未来的研究方向：（1）提高COFs的导电性和催化活性。针对COFs本征导电性较低的问题，致力于引入高共轭单元或构建导电异质结，并利用单原子锚定策略精准优化活性位点。（2）环境特异性结构设计工程，针对水系（如ZABs）和非水系（如Li-O₂电池）电池体系进行差异化定制，分别解决“水淹”和“孔道堵塞”问题。（3）从筛选到基于数据驱动的COFs结构的预测，结合高通量计算与机器学习，在合成前预测材料的最佳孔径与金属配位环境。（4）合成和加工的优化，开发微波辅助、机械化学等绿色高效合成方法，并突破COFs薄膜的制备工艺，降低界面阻抗。（5）深入理解COFs的工作原理。（6）拓展柔性共价有机框架基电池设计，开发高性能柔性电极，推动金属-气体电池在可穿戴电子设备中的集成应用。

Covalent organic frameworks for metal–gas batteries: fundamentals and applications, Chem. Soc. Rev., 2026, doi: 10.1039/D5CS00900F.

彭辉，西北师范大学化学化工学院教授、博士生导师。主要从事新能源材料、生态功能材料方面的研究工作，包括聚合物基低维碳纳米材料、多功能凝胶电解质的制备及新型电化学能源器件的设计研究。迄今，在Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际知名期刊以第一作者/通讯作者发表SCI论文80余篇。近年来，主持国家自然科学基金项目2项，甘肃省杰出青年基金项目1项，甘肃省教育厅产业支撑计划项目1项等。荣获甘肃省自然科学二等奖（2015年，2025年）和甘肃省自然科学三等奖（2022年）等。

徐宇曦，西湖大学工学院研究员/博导，国家优秀青年基金获得者，英国皇家化学会会士。主要致力于新型高分子和石墨烯等低维功能材料的化学精准制备、可控组装加工及其在能源、催化、和环境中的高效应用。以通讯/第一作者在Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等学术期刊上发表论文100余篇，他引3万多次，多篇论文被学术媒体和期刊作为封面/VIP/热点文章和专题新闻亮点介绍，授权国内国际专利多项并转让一项给三星公司，成立初创科技企业实现了部分科研成果的产业化对接。