郑州大学吴蔓蔓研究员、周震教授CEJ：花状共价有机框架作为高性能锂硫电池的载体材料

第一作者：采少博

通讯作者：周震*，吴蔓蔓*

单位：郑州大学，南开大学

锂硫电池的高理论能量密度（2600 Wh kg^-1）以及较低的成本使其在未来储能体系中表现出巨大的发展潜力。但是，锂硫电池目前仍面临一些关键问题，如多硫化物的穿梭效应、巨大的体积膨胀以及硫单质和放电产物的电子绝缘特性等，严重限制了其商业化应用。共价有机框架（Covalent organic frameworks, COFs）是一类由共价键连接而成的结晶态多孔聚合物材料，具有高比表面积、规则的孔道结构、结构可灵活设计等诸多优点，近些年被广泛地应用于锂硫电池的硫正极载体材料。

近日，郑州大学的吴蔓蔓研究员、周震教授团队在国际期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Flower-Like Covalent Organic Frameworks as Host Materials for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的研究文章。该团队合成了一种具有三维花状形貌且富含N和O活性位点的DAAQ-COF，并将其用作硫正极的载体材料，通过熔融浸润法，制备了具有三维交联多孔结构的DAAQ-COF@S复合硫正极材料。DAAQ-COF的三维花状形貌有利于硫的高负载和电解液均匀浸润，其结构中丰富的N和O基团能够作为化学吸附位点，与多硫化物形成N-Li和O-Li键，从而有效抑制多硫化物的穿梭效应，增强锂硫电池的循环性能。DAAQ-COF@S的三维交联多孔结构有利于N和O化学吸附位点的充分暴露和高效利用，同时促进了离子/电子的快速传输，并且为充放电过程中巨大的体积变化预留了缓冲空间，从而可增强锂硫电池的循环和倍率性能。

该研究通过溶剂热法合成三维花状的DAAQ-COF，并通过传统的熔融浸润法将硫负载到DAAQ-COF中，制备了具有三维交联多孔结构的DAAQ-COF@S正极材料。

该研究通过红外吸收光谱和固态核磁共振谱等表征证实了DAAQ-COF的成功合成。XRD结果表明DAAQ-COF具有良好的结晶性，符合AA堆叠结果。TEM图可以观察到DAAQ-COF具有三维花状的微观形貌。

XPS、XRD以及BET等表征充分证明了硫在DAAQ-COF中的成功负载，热重测试结果表明硫的负载量为65.75wt%。

通过SEM图可以观察到DAAQ-COF呈现出由大量纳米棒状花瓣组成的三维花状形貌，负载硫之后的DAAQ-COF@S呈现出三维交联多孔形貌，C、N、O和S元素均匀分布其中。

DAAQ-COF@S作为锂硫电池的正极材料表现出良好的循环和倍率性能，在2 C的电流密度下，循环500圈，比容量仍为525.5 mAh g^-1，容量保持率为79.6%；在4 C的电流密度下，具有616.8 mAh g^-1的高放电比容量。

DFT计算结果进一步表明DAAQ-COF结构中的N和O能够与多硫化物进行化学作用形成N-Li和O-Li键，从而抑制多硫化物的穿梭，提高锂硫电池的比容量和循环性能。

Flower-like covalent organic frameworks as host materials for high-performance lithium-sulfur batteries

郑州大学化工学院新能源科学与工程交叉研究中心吴蔓蔓研究员、周震教授为共同通讯作者，硕士研究生采少博为论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。