北京科技大学姜建壮：具有三维贯穿孔道和密集氧化还原活性位点的3D COFs用于钠离子阴极储存

近日，北京科技大学的姜建壮团队报道了两例酰亚胺连接的三维共价有机框架（3D COFs），其含有氧化还原活性中心并可用于钠离子电池阴极材料。该3D COFs材料独特的三维贯穿通道结构，不仅显著地增强了氧化还原活性中心的利用效率，在促进钠离子传输方面同样表现突出。基于这些独特的结构优势，所制备出的3D COFs阴极材料展现出了较高的能量密度与功率密度，其性能优于大多数已报道的有机电极材料。

钠离子电池（SIBs），作为锂离子电池的潜在替代方案，因其钠资源储量丰富且具备经济可行性而广受关注。不过，鉴于Na⁺的半径相对较大（达1.02 Å，相比之下Li⁺仅为0.76 Å），开发出能够高效、快速存储并稳定嵌入/脱出Na⁺的电极材料，颇具挑战性。相较于无机晶体阴极，由 C、H、N、O和S等常见元素所构成的有机电极材料，被视作制造经济且环保的SIBs的可行途径。实际上，诸如氧化还原活性小分子晶体、分子笼以及COFs等，均已被探索用作有机电池的阴极材料。其中，具备长程有序孔结构与强共价键相互作用的氧化还原活性COFs，能够借助嵌入机制快速且稳定地容纳离子，进而达成高效、可持续的能量存储。更为关键的是，共价互连框架还可调节COFs内相应结构单元的电子结构，缩减带隙，推动电子的高效传输。即便如此，当前所报道的COFs电极多聚焦于具有独立微孔通道的二维框架，这在很大程度上对离子转移过程形成了限制，致使实验所获得的容量在高功率密度下与理论值出现显著偏差。显然，开发拥有贯穿通道的氧化还原活性三维COFs电极，有望攻克COFs在SIBs应用中的瓶颈难题。

综上所述，本文通过设计具有丰富氧化还原活性位点的构筑基元合成了两例酰亚胺连接的3D COFs，并将其用作钠离子电池的阴极材料。3D COFs的贯穿通道显著提高了活性位点的利用效率，同时促进了离子的快速传输。这些结构优势使得所制备的COFs阴极能够实现高能量密度和高功率密度，是已报道的钠离子电池电极中性能表现最佳的电极之一。这项工作为开发具备卓越电化学性能的COFs提供新的思路，同时也为推动高稳定性且可实际应用的有机钠离子电池的发展，奠定了极为坚实的基础。