兰亚乾教授、陈宜法教授， Angew：锯齿状锌传输位点的COFs的设计合成助力高性能水系锌金属负极

第一作者：郭璨、黄新

通讯作者：陈宜法*，兰亚乾*

单位：华南师范大学

水系锌离子电池（AZIBs）的出现和发展为解决能源危机与环境污染提供了极具前景的策略。金属锌因其具有安全性高、储量丰富和比容量高的优点而被认为是AZIBs中最有前途的负极。然而，不可控的枝晶生长和严重的副反应严重限制了水系ZIBs的商业化应用。针对于此，研究人员在深入了解锌生长过程和原理的基础上，提出通过将具有去溶剂化效应和均匀空间电场的COFs材料用于人工保护层的构建。希望通过人工保护层的构建来调节锌表面周围局部电场、阻碍锌负极与H₂O分子的直接接触，进而抑制锌枝晶生长和副反应发生。然而，目前报道的COFs基人工保护层通常缺乏规则的Zn²⁺传输路径和精确的结构来调节锌跳跃/转移位点。此外，还迫切需要深入了解人工负极保护层中Zn²⁺的跳跃/转移、枝晶抑制和界面相互作用，以研究其结构-性能之间的关系。

近日，华南师范大学的兰亚乾教授、陈宜法教授团队通过制备了具有独特的锯齿状跳跃位点的酸酐基COFs（即PI-DP-COF和PI-DT-COF），并将其用于锌负极人工保护层并研究Zn²⁺跳跃/转移行为。ABC堆叠的COFs可以促使Zn²⁺沿着锯齿状跳跃位点迁移，显著降低了其成核能垒并均匀了离子/电场分布。通过电池性能测试，密度泛函理论计算和分子动力学模拟等深入探究了锯齿状的COFs基人工保护层在电池充放电过程中对于Zn²⁺传输速率及水合锌离子的去溶剂化效果。揭示了ABC堆叠的COFs在同时抑制析氢反应、枝晶生长和提升离子传输方面巨大的应用前景和潜力，为后续的该领域的研究提供一定的理论参考和实验基础。

密度泛函理论计算和分子动力学模拟等深入探究了锯齿状的COFs基人工保护层在电池充放电过程中对于Zn²⁺传输速率及水合锌离子的去溶剂化效果。ABC堆叠的COFs可以促使Zn²⁺沿着锯齿状跳跃位点迁移，显著降低了其成核能垒并均匀了离子/电场分布。

在高电流密度为60 mA cm^-2且面容量为1 mAh cm^-2下，PI-DP-COF@Zn对称电池表现出出色的循环稳定性，实现无枝晶形态和可忽略的H2析出行为。此外，与MnO₂正极组装的全电池在电流密度为2 A g^-1下可以稳定循环1600次。

该研究揭示了ABC堆叠的COFs在同时抑制析氢反应、枝晶生长和提升离子传输方面巨大的应用前景和潜力，为后续的该领域的研究提供一定的理论参考和实验基础。

Zigzag Hopping Site Embedded Covalent Organic Frameworks Coating for Zn Anode

兰亚乾教授：兰亚乾教授课题组自2012年底成立以来，主要以团簇化学和配位化学为研究导向，设计合成结构新颖且稳定的晶态材料用于光、电、化学能等相关清洁能源领域的转化与应用。研究内容涉及多酸（POMs）、金属有机团簇（MOCs）、金属有机框架（MOFs）以及共价有机骨架材料（COFs）的合成与应用。目前，课题组已在光电催化领域包括水裂解反应，CO2还原、氧还原反应（ORR）以及质子导电和固态电解质材料方面等取得一系列重要进展。相关研究在Nat. Synth.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、Chem、Chem. Soc. Rev.等国际知名期刊上发表论文200余篇。

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