对电极材料在各个尺度上的特征结构进行协同设计是提高能量转储器件性能和效率的关键。以
COF
为代表的多孔纳米材料虽然具有规整可调的纳米孔道和超高的比表面积，但在介观、近宏观等更大尺度上结构可控性的缺乏使得这些纳米孔道结构难以被有效利用，极大地限制了
COF
电极的实际性能。
近日，浙江大学化学工程与生物工程学院王文俊、刘平伟团队
通过调控
COF
制备过程中的反应动力学，在具有规整大孔结构的石墨烯气凝胶骨架上原位生长出了垂直排列的、具有百纳米级超结构的
COF
纳米片，实现了对
COF
电极从纳米级到毫米级全尺度多级孔结构的协同设计，得到了兼具高能量密度和高功率密度的高性能
COF
电极材料（
v-COF-GA
）。相关成果以
“
Vertical Growth of 2D Covalent Organic Framework Nanoplatelets on Macroscopic Scaffold for High-Performance Electrodes
”
为题发表于
Advanced Materials
（
DOI: 10.1002/adma.202204250
）。论文第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士后姜炎秋博士，通讯作者为浙江大学化学工程与生物工程学院刘平伟
（长聘副教授，研究员）。此研究得到国家自然科学基金、化学工程国家重点实验室（浙江大学分室）、中国博士后科学基金等资助支持。
1.
提出了利用微纳多孔
COF
与宏观多孔骨架复合来构建全尺度多级孔结构的策略。通过控制
COF
制备过程的反应动力学，实现对
COF
纳米级孔道和百纳米级介观结构的优化设计；进一步结合多孔石墨烯气凝胶骨架，实现对
v-COF-GA
电极在近宏观和宏观尺度结构的特征的调控，从而实现对电极全尺度多级结构的协同设计。
图
1. v-COF-GA
电极全尺度多级孔结构设计思路。
2.
揭示了
v-COF-GA
电极在各个尺度的结构特征。结合
XPS, BET, XRD, AFM, SEM, nano-CT
等多种表征手段，对
COF
电极的原子组成、纳米孔道（
1-2 nm
），介观形貌（
20-200 nm
）、空间排列和分布（
1-50 μm
）、和宏观形态（
~mm
）等各个不同尺度的结构进行了系统表征，为
v-COF-GA
电极的全尺度孔结构协同设计奠定了基础。
图
2. v-COF-GA
电极在各个尺度上的结构特征。
3.
验证了
v-COF-GA
电极内部高效的离子
/
电子传输过程。通过对
v-COF-GA
电极充放电过程的动力学分析，揭示了电极中快速传质的动力学过程占据主导地位，阐明了电极高倍率性能的来源。这得益于对
v-COF-GA
电极各个尺度结构的协同设计带来的高效的离子
/
电子传输通道。
图
3. v-COF-GA
电极充放电过程动力学分析
4.
展示了
v-COF-GA
电极在高负载、高功率场景下的使用性能。高效的离子
/
电子传输通道让
v-COF-GA
电极在高负载量（
~10.3 mg cm
-2
）和高功率（
~40,000 W kg
-1
）的场景下均保持着大部分初始容量（
~75 %
）。此外，
v-COF-GA
电极还具有出色的循环稳定性和结构稳定性，在长循环测试和柔性测试中均表现出极高的稳定性。
图
4. v-COF-GA
电极在不同应用场景下的电化学性能。
本论文是在
王文俊、刘平伟团队
前期积累和前人工作经验总结的基础上完成。团队长期致力于以二维
COF
为代表的二维
材料及其复合材料
多尺度结构的设计、调控与应用研究。早在
2019
年，团队研究人员就提出了通过加入单官能团竞争剂来降低反应速率、提高反应可能性的
“
可逆缩聚
-
终止
”
（
RPT
）方法，制备了一系列具有规整形貌的
COF
材料。相关工作包括
Mater, 2019, 1, 1592; Cell Rep. Phys. Sci., 2020, 1, 100062; Mater, 2021, 4, 618; J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 5003.
等。
原文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202204250
相关进展
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