孙自许教授，窦世学、刘化鹍教授， ACS Nano 总结：共价有机框架调控金属离子电池来提升电化学性能。

第一作者：孙博文

通讯作者：孙自许*，窦世学*，刘化鹍*

单位：河南大学，上海理工大学

共价有机框架（COFs）是一种新兴多孔晶体材料，COFs具有许多优势特性，包括坚固的骨架、丰富的电化学活性位点、明确且灵活的金属离子传输孔和通道以及可定制的分子结构，所有这些都有助于提高电化学性能。因此，COFs作为可充电金属离子电池发展的潜在电极材料引起了人们的极大兴趣，对COF基，COF的复合材料及其衍生物在各种电池应用中进行了广泛的研究。COFs操纵其化学和结构的能力，以及它们以精确的密度和位置预先设计氧化还原活性位点的能力，使它们能够灵活地改变电极材料的能量密度。在本篇综述中介绍了共价有机框架的结构特点及制备方法。重点讲解和分析了共价有机框架改善金属离子电池电化学性能的机理。最后对仍然存在的问题提出了可能的解决途径，并对未来的发展做出来展望。为共价有机框架在金属离子电池中的研究提供了发展思路。

近日，来自河南大学的孙自许教授和上海理工大学的窦世学，刘化鹍院士合作，在国际知名期刊  ACS Nano 上发表题为“Covalent Organic Frameworks: Their Composites and Derivatives for Rechargeable Metal-Ion Batteries”的综述性文章。该综述分析了现在已存在的共价有机框架及其复合材料和衍生物调控金属离子电池各个组件（正极、负极等），提升电池催化性能，和比容量的最新进展。该综述全面总结了最新，最有代表性的相关文章进行具体分析。最后又提出了共价有机框架及其复合材料和衍生物对可以提升电化学性能真正思考和展望。

COF中大量堆积层的存在可能导致大量活性位点的埋藏，从而阻碍氧化还原活性位点的利用。将块状COF分层为减少的CON层已被证明是增加氧化还原活性位点暴露和增强锂转移动力学的成功方法。COF薄膜的生产通常采用两种主要方法，即自下而上和自上而下的方法。

在碱金属离子电池中，储能与负极材料的设计密切相关。在充电过程中，离子通过电解质输送到负极。选择具有较大孔径和比表面积的COFs及其衍生物作为电极材料。COFs的可调官能团结构可以化学吸附碱金属离子，并在碳材料中原位生长，可以增强导电性，增加储存离子的能力。在锂/钠硫电池中，遇到的主要挑战包括多硫化物穿梭、枝晶生长和低离子传输速率。为了解决这些问题，使用具有强导电性和优异催化性能的MXene等材料，结合COFs，实现多功能性，对提高锂硫电池性能具有独特的效果。

水系锌离子电池会遇到与不可控的副反应和有害的枝晶生长相关的挑战。在COF中掺入适当的官能团可以实现Zn²⁺的均匀和可调节沉积。在多价金属离子电池中，大的离子半径是影响电池性能的主要原因，COFs的多孔通道以及丰富的共轭和层状结构已经显示出存储能力。这可归因于COFs的特殊物理化学性质，它促进了大尺寸镁离子、钙离子和氯铝酸根阴离子的快速稳定扩散和插层。

COFs作为电极材料在可充电金属离子电池中的应用。COF 具有多个优势特性，包括精确定义的通道、可定制的孔径、较大的比表面积和强大的设计能力。通过利用这些特性，COF作为电极材料取得了显著进展，在金属离子电池中既是阴极又是阳极，并表现出优异的电化学性能。学术文献中已经确定了各种策略来增强基于 COF 的电极的功能。这些策略包括官能团的调控、形态管理、结构优化、异质结构的形成。COFs的适应性配置与电池的电化学功能之间的相关性是显著的。全面研究COF结构和性能之间的相互联系可以有效提高电池的电化学能力，包括离子和电子电导率以及电池容量。

Covalent Organic Frameworks: Their Composites and Derivatives for Rechargeable Metal-Ion Batteries

孙自许 教授简介：目前担任河南大学材料学院教授，硕士生导师。入选河南省百人计划。主要从事电化学储能材料与器件等方面的研究，集中在锂硫电池，包括液态、低温、全固态锂硫电池，以及部分电催化工作。具有扎实的相关领域的研究基础，并取得了较为突出的研究成果。迄今共发表SCI期刊论文67篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.（2篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Funct. Mater.（3篇）、Coord. Chem. Rev.（3篇）、Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B（2篇）和Carbon Energy（2篇）等国际学术期刊上发表SCI论文36篇。担任中科院一区期刊Carbon Energy和Rare Metals 青年编委。

窦世学 院士简介：澳大利亚技术科学与工程院院士、国际电子技术科学院院士、新能源和超导材料与技术领域专家。上海理工大学能源材料科学研究院（IEMS）教授，院长。他是伍伦贡大学杰出教授 (2014-2021)，伍伦贡大学超导与电子材料研究所（ISEM）创始人，以及伍伦贡大学亚洲科研大使 (2018-2021)；是纳米结构材料与纳米科学、超导与电子材料、储能与电池材料、快速离子导体方面的专家。1994年1月于伍伦贡大学创建超导与电子材料研究所。同年10月被澳大利亚工程院评选为院士，1998年获得澳大利亚新南威尔士大学科学博士荣誉。

2003年被澳大利亚政府授予“在材料与工程领域为澳大利亚社会做出杰出贡献的世纪奖章”，2012年获得优秀工业合作伙伴奖，2018年获得澳华科学会评选的终身成就奖，2019年获得澳大利亚政府颁发的澳大利亚员佐勋章(AM)。2020年被《澳大利亚研究杂志》评选为澳洲物理科学领域终身成就科学家。2021年由于其在二硼化镁超导材料中的重要贡献获得国际低温材料学会颁发的“低温材料终身成就奖”。2021和2022年连续被《澳大利亚研究杂志》评选为澳洲纳米材料科学, 材料工程及电化学3学科领域的世界领军科学家。2022年被伍仑贡大学聘任为荣誉教授. 窦世学教授发表学术论文被引用95000余次，H指数 (h-index)为149，连续多年被汤姆森路透社选入全球高被引科学家2021-2022入选化学学科与材料科学学科全球高被引科学家。

刘化鹍 院士简介：澳大利亚技术科学与工程院院士、能源存储和转换领域专家、上海理工大学能源材料科学研究院首席科学家。于1960年本科入读于吉林大学化学学院 ；1994年任教于澳大利亚伍伦贡大学；1999年晋升为教授；2003年—2013年任澳洲研究委员会教授研究员；2013年当选为澳大利亚技术科学与工程院院士；2014年—2021年任澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料中心杰出教授；2014年—2023年任澳大利亚伍伦贡大学特聘教授；2017年获得澳大利亚伍伦贡大学理学博士学位；2019年获评为《澳大利亚科研究志》材料科学领域“高被引科学家”前五名之一 ；2022年任澳大利亚伍伦贡大学荣誉退休教授，9月获聘为上海理工大学能源材料科学研究院教授 ；2023年6月任上海理工大学能源材料科学研究院首席科学家。