复旦大学《AM》：环保型高性能对称全COF/石墨烯水性锌离子电池

图1、a） DAQ-HATN COF在GDAQ//Zn水性电池系统中的设计优势和储能机理的示意图。b） DA-HATN COF、DAQ-HATN COF、GDA和GDAQ的FT-IR光谱。c） DA-HATN-COF、DAQ-HATN-COF、GDA和GDAQ的拉曼光谱。d） DA-HATN COF和DAQ-HATN COF的13C NMR光谱。e） DA-HATN COF、DAQ-HATN COF、GDA和GDAQ的XRD图谱。f） N2物理吸附等温线和插图揭示了GDAQ的孔径分布。g） DA-HATN-COF、DAQ-HATN-COF、GDA和GDAQ的TGA曲线。h） DAQ-HATN COF的SEM图像。i） GDAQ的SEM图像。j、 k）GDAQ的TEM图像。

图2、a） 扫描速率为0.2 mV s-1时GDAQ的CV曲线。b） GDAQ在0.1–15.0 A g−1电流密度范围内的GCD曲线。c） GDAQ和GDA在0.1–15 A g−1电流密度范围内的速率性能。d） GDAQ和GDA与其他COF基电极的速率性能比较。e） GDAQ在10 a g−1电流密度下的循环稳定性。f） GDAQ在0.2至2.5 mV s-1的不同扫描速率下的CV曲线。g） 2.5 mV s−1时的电容和扩散贡献。h） GITT曲线和GDAQ的计算离子扩散系数。i） rGO、DA-HATN COF、DAQ-HATN COF、GDA和GDAQ的EIS比较。j） GDAQ优异电化学性能的机理说明。

图3、a) GCD curve of GDAQ with different charge-discharge depth. b) Ex situ XRD patterns. c) Ex situ XPS spectra of N 1s and O 1s. d) Ex situ FT-IR spectra. e) SEM images of GDAQ during the electrochemical process.

图4、a) DA-HATN COF 和 DAQ-HATN COF（重复单元）的电子结构和计算的 LUMO/HOMO 能级。b) DAQ-HATN COF 中 H/Zn+2+ 的存储机制示意图（失）充电过程。d) DA-HATN COF 和 DAQ-HATN COF 中目标原子的 Mulliken 电荷值。e) DAQ-HATN COF 在阶跃 H/Zn+2+ 配位过程中的计算吉布斯自由能。f) DAQ-HATN COF 在放电过程中的 H/Zn+2+ 共储途径。

图5、a) GDAQ//GDAQ-R SAOB 的设计理念和工作机制。b) 0.1-10.0 A g-1 电流密度范围内 SAOB 的 GCD 曲线。c) 0.1-10.0 A g-1 电流密度范围内 SAOB 的速率性能。g) 由两个 GDAQ//GDAQ-R 袋装 SAOB 供电的电子计时器的实际演示。h) GDAQ//GDAQ-R 袋装 SAOB 在 5 A g-1 电流密度下的循环稳定性。

综上所述，作者成功地获得了一种具有丰富 C=N 和 C=O 基团的新型 COF/ 石墨烯复合材料 GDAQ。具有高氧化还原活性的 CO 基团提供了额外的可逆 H 配位位点，并与 C=N 位点协同增强了 AZOBs中GDAQ电极的 Zn+2+/H 协同存储能力。石墨烯作为一种稳定的导电连接成分，进一步激活了 COFs 中的大部分活性位点，有效提高了循环稳定性。由于上述优点，GDAQ 电极表现出令人瞩目的电化学性能，具有极高的比容量（331mAh g+-1）、卓越的速率性能和超长的循环稳定性（在电流密度为10Ag-1 的条件下循环 20000 次后容量保持率为 90.33%）。

此外，实验研究和理论计算详细阐明了 GDAQ 的储能途径，阐明了 CO 修饰和石墨烯引入对离子配位机理和电极反应动力学的调整和优化作用。因此，在进一步演化GDAQ电极的基础上，开发出了一种新型对称全COF/石墨烯锌离子水电池。独特的氧化还原反应过程和快速的阳离子配位/解离动力学使 SAOB 在0.1Ag-1的条件下具有150mAh g-1 的高容量，同时还继承了极高的速率性能和循环稳定性。我们坚信，这项工作不仅为AZOBs中使用的基于 COF的电极材料提供了分子水平的设计和性能优化方法，而且拓展了高性能有机电极的应用范围，为从机理理论研究到SAOBs概念实现的整个工艺开发过程提供了有价值的参考。