安徽大学张朝峰/阿德莱德大学郭再萍、张仕林EES:用于先进储能的共价三嗪框架:挑战和新机遇

科技前沿2023-07-18 09:03

【研究背景】

可再生能源，如太阳能、水力、地热和风能，加上清洁的电化学储能技术，为解决当前的能源和环境挑战提供了绿色和可持续的解决方案。然而，这些资源的开发利用面临着转化效率、稳定性和重组等问题。此外，电化学存储过程受到活性、容量、成本和稳定性问题的影响，这些问题限制了这些能源和技术的利用。为了解决这些限制，被称为共价三嗪框架(CTFs)的多孔材料已经成为一种潜在的解决方案。CTFs具有丰富的分子设计、多样的构建块、大表面积、可负担的合成策略、高共轭性和孔隙率等优点。因此，CTFs在克服上述挑战方面大有希望。本文综述了CTFs在储能技术中的应用，重点介绍了目前的研究现状、存在的挑战和潜在的未来研究方向。

【工作介绍】

近日，安徽大学张朝峰/澳大利亚阿德莱德大学郭再萍、张仕林等人对基于CTFs的电池的最新进展进行了总结，包括它们有趣的电极/界面化学性质，潜在的电化学行为和表征。我们还讨论了在逐渐重新配制的电池单元中已经认识到的挑战。重要的是，基于我们的理解和目前在CTFs和储能方面的进展，我们提出了克服这些挑战的潜在策略，并使基于CTFs的电池能够用于下一代高能电池系统。在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Covalent Triazine Frameworks for Advanced Energy Storage: Challenges and New Opportunities”的综述文章。安徽大学硕士研究生熊鹏是本文的第一作者。

图一本文从合成方法、表征和储能应用三个方面对CTFs进行了综述。

【内容表述】

共价三嗪骨架（CTF）是一种COF，由于其原子定制结构、高固有氮含量、可调孔隙率和可改变的骨架，在过去十年中引起了极大的关注。第一种CTF材料于2008年由Kuhn等人在400°C下通过1，4-二氰基苯的三聚化，在ZnCl₂作为溶剂和催化剂的帮助下合成。从那时起，已经合成了许多具有不同结构和功能的CTFs。通过整合不同的构建模块，CTFs在结构设计中提供了巨大的机会，并且越来越多地转向功能设计领域。总结如图二

图二用于先进储能的CTF发展脉络时间线。

1. 合成方法

有四种主要的合成CTFs的方法，包括离子热反应策略、P₂O₅作为催化剂促使酰胺脱水成腈策略、超强酸催化、基于脒的缩合方法。（如图三）离子热反应策略、P₂O₅作为催化剂促使酰胺脱水成腈策略需要在较高的温度下进行反应，虽然这两种高温方法可以生产结构明确、表面积大的CTFs，但它们需要专门的设备和复杂的反应条件。另一方面，超强酸催化、基于脒的缩合方法在低于200℃下就可以合成出CTFs，低温方法可以更灵活和可扩展，但可能需要更长的反应时间和使用特定溶剂，导致产量或结晶度较低。高温和低温方法都有各自的优点和缺点，选择合适的方法取决于CTFs的可用资源和工艺的可扩展性等因素。根据具体的应用，仔细考虑这些因素来选择合适的合成方法是至关重要的，因为物理化学性质，如比面积、结晶度、孔隙度、孔径、电导率、尺寸等都是可以调节的。

图三不同合成方法的优缺点。

2. 储能的应用

作为一种新兴的有机材料，CTFs具有高表面积、可调孔径、高氮含量、共轭网络、化学韧性、成分可调等优点，在储能领域的潜在应用引起了极大的关注。近年来，对CTFs的研究主要集中在两个方面。第一个方面是开发适合锂离子电池的CTFs材料（图四）。第二个方面涉及将CTFs的使用扩展到Li以外的新兴电池概念，包括钠离子，钾离子，锌离子和锂金属电池等（图五）。提供了案例研究，以突出推动该领域的工作并说明关键材料设计概念。讨论了CTFs在不同电池化学成分中储能的潜在机制，以及研究现状。本部分还提供了如何使CTFs在下一代储能中更实用的观点。

图四不同的设计方法增强储能设备性能。

图五 CTF在下一代储能设备上的应用。

3. 材料的表征

为了揭示CTFs作为电极材料的活性中心，理解电化学反应的机理并优化性能，使用多种原位/操作表征技术至关重要。通过原位/操作表征观察新现象和反应机理可以促进先进储能器件的开发。然而，由于与混合物种、质量传递和电解质分子相关的挑战，与非原位表征相比，原位/操作表征目前并不普遍。因此，必须开发方便且具有成本效益的技术、特定设置和测试单元，以进一步了解CTFs材料在电池运行过程中的行为和特性。重要的是，密度泛函理论等计算和模型以及分子动力学模拟对于预测CTFs材料结构和实现合理设计至关重要。

【总结与展望】

CTFs为可充电储能系统的实际部署提供了一条有前途的途径。解决实现高速率储能性能的挑战，设计具有高离子电导率和稳定性的CTFs，以及改进具有定制功能的CTF的可控合成，对于成功部署在储能系统中至关重要(图六)。应该继续努力开发具有新颖拓扑结构的CTFs，并更深入地了解影响性能的参数。尽管还处于发展的早期阶段，但在原子水平上对科学和表征的不断探索可以显著地促进向实际应用的进展。除了在电池和超级电容器应用中的卓越性能外，人们对催化剂、药物输送、能量转换和气体分离等方面的潜在应用越来越感兴趣。结构的可设计性，可加工性，化学和热稳定性，可回收性，甚至生物相容性都是人们关注的焦点。因此，我们期望这篇综述能引起人们对合成功能性CTFs的广泛兴趣，并为未来十年的各种应用提供有价值的设计思想和定制架构。

图六基于CTFs储能材料的挑战和机遇。

Peng Xiong, Shilin Zhang, Rui Wang, Longhai Zhang, Quanwei Ma, Xiang Ren, Yuchen Gao, Ziyang Wang, Zaiping Guo and Chaofeng Zhang, Covalent Triazine Frameworks for Advanced Energy Storage: Challenges and New Opportunities, Energy & Environmental Science, 2023, DOI:10.1039/D3EE01360J

通讯作者介绍

张朝峰教授，博士生导师，安徽省杰出青年基金获得者，安徽省莱布尼兹材料科学国际联合研究中心副主任。分别在兰州大学和复旦大学获得学士学位和硕士学位。2013年获澳大利亚卧龙岗大学博士学位。他曾在日本国立先进产业科学技术研究所（AIST）完成博士后研究。主要研究方向为电池电化学，特别是有机电池材料和水系锌离子电池电解质。

张仕林博士澳大利亚阿德莱德大学研究员。他于2016年毕业于北京化工大学，获得硕士学位后，于2020年获得澳大利亚卧龙岗大学超导与电子材料研究所博士学位。他目前的研究兴趣集中在离子电池和金属电池等电化学器件领域的材料设计、合成和表征。

欧阳晓平院士团队Adv Mater：表面工程助力实现超快的锂/钠/钾原电池

2023-07-17