Small：无溶剂合成共价有机框架/石墨烯纳米杂化物：用于超级电容器和混合电容去离子的高性能法拉第阴极

第一作者：许立明

通讯作者：潘丽坤*，刘勇*，徐兴涛*

单位：华东师范大学，青岛科技大学，浙江海洋大学

与大多数只能进行单次电子转移反应的无机法拉第电极材料相比，具有独特结晶聚合物结构、大π共轭支架结构和丰富纳米通道的共价有机框架（COF）通常可以进行多次电子转移反应，并伴随着优越的功率 产量和潜在的巨大容量。然而，大多数COF材料的导电性较差，且2D COF层强烈的层间π-π相互作用导致COF层倾向于紧密堆叠/团聚，导致氧化还原活性位点的利用率较低。因此，进一步提高COF基材料的本征电子电导率并释放其孔隙率是提高其电化学性能的必要策略。本篇研究采用石墨烯作为导电基底，在无溶剂条件下原位生长具有氧化还原活性的二维氧化还原活性COF（TFPDQ-COF），制备了TFPDQ-COF/石墨烯（TFPDQGO）纳米杂化物，并探索了其在超级电容器和混合电容去离子（HCDI）中的应用。这项研究强调了COF基杂化材料作为高性能超级电容器和HCDI电极材料的新机遇。

近日，来自华东师范大学的潘丽坤教授与青岛科技大学的刘勇教授和浙江海洋大学的徐兴涛教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Solvent-Free Synthesis of Covalent Organic Framework/Graphene Nanohybrids: High-Performance Faradaic Cathodes for Supercapacitors and Hybrid Capacitive Deionization”的文章。该研究采用石墨烯作为导电基底，在无溶剂条件下原位生长具有氧化还原活性的二维氧化还原活性TFPDQ-COF，制备了TFPDQ-COF/石墨烯（TFPDQGO）纳米杂化物，并探索了其在超级电容器和混合电容去离子（HCDI）中的应用。由于石墨烯层提供的电荷传输高速通道和COF骨架中丰富的氧化还原活性中心的协同效应，TFPDQGO表现出429.0 F g^-1的大比电容，并且组装的TFPDQGO//AC非对称超级电容器在950 W kg^-1的功率密度下具有59.4 Wh kg^-1的高能量输出和良好的循环寿命。此外，基于TFPDQGO的HCDI获得了58.4 mg g^-1的最大盐吸附容量和稳定的循环再生性能。

要点一：研究表明TFPDQ-COF通过π-π相互作用和酰胺键紧密锚定在石墨烯表面，这有效抑制了TFPDQ-COF层的π-π堆叠和团聚。此外，由于石墨烯的引入，TFPDQGO纳米杂化材料显示了更大的比表面积和更多的孔结构。

要点二：基于TFPDQGO-75阴极和AC阳极的水系非对称超级电容器（TFPDQGO-75//AC）在1M NaCl电解质中展示了1.9V的稳定工作窗口和良好的电化学性能：TFPDQGO-75//AC在1 A g^-1电流下的最大比电容为118.5 F g^-1；同时TFPDQGO-75//AC在950 W kg^-1的功率密度下实现了59.4 Wh kg^-1的高能量密度，这比大多数报道的COF基材料更好；TFPDQGO-75//AC在10 A g^-1的电流密度下循环10,000次后仍保留80.6%的初始电容值；两个串联的TFPDQGO-75//AC可以点亮红色发光二极管（LED）长达24分钟。

要点三：通过非原位FT-IR和XPS光谱研究了充放电过程中TFPDQGO-75电极上官能团的可逆变化：研究表明TFPDQGO-75的离子存储机制是以TFPDQ-COF骨架上的C=O键为氧化还原活性中心的可逆Na⁺离子掺杂/去掺杂。

要点四：基于TFPDQGO-75阴极和AC阳极的HCDI器件展示了良好的脱盐性能：在初始浓度为500 mg L^-1的NaCl溶液中在50 mA g^-1的电流密度下可以实现45.2 mg g^-1的脱盐容量和77.5%的电荷效率；在高浓度NaCl溶液（1000 mg L^-1）中的脱盐容量高达58.4 mg g^-1，即使在低浓度NaCl溶液（100 mg L^-1）中仍具有20.5 mg g^-1的脱盐容量；在50 mA g^-1的电流密度下循环50圈后可以实现84.5%的脱盐容量保持率，显著优于TFPDQ-COF的35.7%。

潘丽坤 教授简介：华东师范大学物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室教授、博导。科睿唯安全球高被引科学家，爱思唯尔中国高被引学者。目前的研究方向为新能源材料及应用。已发表SCI论文400余篇，其中第一/通讯作者SCI论文300余篇，被引用28000多次，H指数96。授权中国发明专利30余项。目前担任多个SCI期刊的编委。

刘勇 教 授简介：青岛科技大学副教授，主要从事环境新材料(金属纳米团簇)的设计及新型淡化技术研究，在环境纳米材料微纳制造、电化学脱盐器件的设计和改进等方面积累了丰富的经验。获得国际自然科学基金及山东省自然科学基金各1项。H-index: 30。相关成果发表在国际一流SCI期刊Adv. Funct. Mater., ACS nano、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等，共计50余篇，其中以第一作者或通讯作者身份发表30余篇，ESI 高被引论文3篇。授权中国发明专利2项。

徐兴涛 教授简介：浙江海洋大学教授，名古屋大学客员副教授，博士生导师，浙江省特聘专家。入选浙江省千人计划、英国皇家化学会（RSC）高被引作者、日本学术振兴会（JSPS）Fellow、全球前2%顶尖科学家年度科学影响力榜单（2020-2023）；担任国家自然科学基金通讯评审专家，NSC子刊、Angew Chem、ACS Nano等期刊审稿人。长期从事海水资源绿色利用与海洋环境修复研究工作，在Chem Rev、JACS、Angew Chem、EES、Adv Mater等发表学术论文150余篇（一作/通讯作者80余篇）；入选ESI高被引论文43篇，被引用次数超过11000次，H指数66（近五年H指数63）。受英国皇家化学会（RSC）邀请撰写电容去离子领域第一部英文专著《Capacitive Deionization》，另外参编英文专著2部。主持及参与日本JST-ERATO计划（总经费20亿日元，在日本国内被誉为诺奖级项目）、国家自然科学基金项目、日本学术振兴会研究员项目等；担任SusMat、Carbon Energy、CCL、Electrochimica Acta、Environmental Research、Rare Metals、Biochar等期刊副编辑、客座编辑、青年编委等。

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