安徽工业大学汪冬红/朱磊/柳东明《Small》：电子调控COF实现高性能锌-碘电池

第一作者：孙云龙

通讯作者：朱磊、柳东明、汪冬红

通讯单位：安徽工业大学

随着电动汽车与大规模电网储能需求持续扩大，先进电池系统的研发进程得到有力驱动，这类系统需在能源效率、成本效益与安全性三大核心维度实现协同优化。水系锌碘（Zn-I₂）电池凭借高理论比容量、优异安全性及良好的电化学可逆性，被公认为极具应用潜力的储能技术方向。然而，其实际推广仍面临两大关键瓶颈：氧化还原动力学迟缓，以及可溶性多碘化物引发的穿梭效应。为破解上述难题，研究人员探索了多种技术路径，其中通过宿主材料对多碘化物进行物理限域与化学锚定的方法，被证实成效显著。多孔碳材料虽已获得广泛研究，但它与碘物种间的化学相互作用较弱，难以彻底抑制穿梭现象。杂原子掺杂策略则可通过调控局部电子结构、引入缺陷位点并暴露活性中心，有效提升材料对多碘化物的吸附性能。近年来，共价有机框架（COF）因兼具高比表面积、可调谐孔道结构与卓越化学稳定性，在功能性宿主材料领域备受青睐。已有研究表明，构建富含氮原子等电子给体位点的COF结构，能够显著强化碘的固定与传输性能。不过，官能团类型、孔径调控与碘吸附行为之间的构效关系，以及电子结构工程对多碘化物限域与反应动力学的协同作用机制，仍需开展系统且深入的阐释。

近日，安徽工业大学朱磊博士、汪冬红教授及柳东明教授团队在国际知名期刊《Small》上发表题为“Electronically Modulated TpPa COF as a High-Performance Iodine Host for Zn-I2 Batteries ”的研究工作。该工作针对水系锌碘电池的核心技术瓶颈，系统阐明了官能团类型、孔径调控与碘吸附量和利用率之间的构效关系，深入揭示了电子结构工程对多碘化物限域与反应动力学的协同作用机制。

研究团队通过溶剂热法，成功合成了基础TpPa-COF及其分别修饰有磺酸基（TpPa-NO2）和硝基（TpPa-SO₃H）的衍生物。通过XRD、红外、XPS和TGA等一系列表征技术，不仅证实了这三种COF材料的成功制备，也明确验证了它们与碘的成功复合。理论计算表明，引入不同的官能团会显著改变COF骨架与碘之间的相互作用。

电化学性能评估显示，在三种材料中，TpPa-NO₂-I₂正极表现最为突出。它不仅展现出更优的反应动力学，其循环稳定性也显著优于TpPa-I₂和TpPa-SO₃H-I₂。这一性能的提升归功于硝基官能团对主体材料电子结构的优化设计。

朱磊，硕士生导师，主要研究方向包括有机电极材料的设计合成与电化学储能，以及共价有机框架（COFs）的设计合成及其在电化学储能领域的应用。至今已在Adv. Energy. Mater.、Chem. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Org. Lett.、Energy Storage Materials、Nano Energy、Chem. Commun.、Adv. Synth. Catal.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed等权威期刊发表SCI论文30余篇。

柳东明，安徽工业大学教授、博士生导师，安徽省教学名师，宝钢优秀教师奖获得者。现任“氢电高效转化与固态存储”安徽省重点实验室主任，“氢能源材料与技术”安徽省优秀科研创新团队负责人。主持国家自然科学基金4项、省部级项目6项，参与国家863计划1项。在Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.等期刊发表SCI论文40余篇，获授权发明专利13项（转化3项），获安徽省科学技术三等奖1项。

汪冬红，安徽工业大学资格教授，硕士生导师，研究方向为水系锌电池有机电极材料设计及电解液改性。在材料与能源领域国际期刊发表SCI论文60多篇，其中第一/通讯作者30余篇，ESI高被引4篇，H因子为45。申请美国发明专利3项，已获授权3项。主持国家自然科学基金及省部级项目4项。