广东
近年来，水系非金属离子电池因安全性高、成本低、充电快等优势备受关注，其中NH4+离子凭借资源丰富、水合离子半径小（扩散速度快）、灵活的四面体结构（便于形成氢键）脱颖而出。然而，尽管无机电极材料在水系铵离子电池（AAIBs）中发展已久，但仍面临诸多挑战。有机分子作为电极材料虽具有结构可设计、活性官能团丰富、可持续性强等优点，但有机小分子易溶解，影响电池循环稳定性。相比之下，共价有机框架（COFs）凭借其丰富的孔道、官能团和牢固的共价键，为NH4+离子的嵌入/脱出提供了有利环境。然而，目前关于COFs作为AAIBs电极材料的研究较少，其储能机理，尤其是羰基官能团与NH4+离子的相互作用机制尚不明确，相关应用研究存在空白，亟待深入探索。
鉴于此，包福喜、郭文、李永生等提出了一种含蒽醌羰基COF（DAAQ-TP-COF）用于AAIBs阳极材料。实验结果显示，在0.1 A g-1的电流密度下，该阳极材料展现出高达141 mAh g-1的比容量。此外，在6 A g-1下循环8000次，其比容量仍可保持90%以上，表明DAAQ-TP-COF具有出色的循环稳定性。同时，该研究还发现DAAQ-TP-COF中具有超共轭结构的蒽醌羰基（C=O1）可与NH4+离子形成氢键，从而成为最佳储能位点，为 NH4+的储存做出了主要贡献；而另一结构单元中的羰基（C=O2）由于存在烯醇互变现象，阻碍了氢键的形成，不利于NH4+的储存。通过原位拉曼光谱（in situ Raman）、非原位傅里叶变换红外光谱（ex situ FT-IR）以及电子顺磁共振（EPR）等测试手段，进一步对该假设进行了验证。同时，结合理论计算，该研究还进一步揭示，NH4+中的氢原子相比于C=O2更有利于与C=O1官能团结合形成氢键，配位数也更高，且在小于4 Å的距离范围内，NH4+中的氢原子仅与C=O1有信号出现。上述研究表明，在DAAQ-TP-COF分子中，高度共轭的C=O1更易与NH4+离子形成氢键，是能量储存的关键活性位点。
相关成果近期以“Superconjugated Anthraquinone Carbonyl-Based Covalent Organic Framework as Anode Material for High-Performance Aqueous Ammonium-Ion Batteries（DOI: 10.1002/anie.202424494）”为题发表在国际化学领域著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。论文第一作者为学院2023级硕士研究生刘佳辉，通讯作者为学院郭文副教授、李永生教授、包福喜副教授，石河子大学化学化工学院/化工绿色过程省部共建国家重点实验室培育基地为通讯单位。以上工作获得了国家人才基金、自治区天池英才（青年博士）人才基金、石河子大学高层次人才启动基金（RCZK202324）、以及兵团重点领域研发项目（2023AB054）的支持。
主要贡献：
深入剖析了COF中不同C=O基团对NH₄⁺储存机制的影响，揭示出蒽醌结构中的羰基因超共轭结构抑制了烯醇互变，从而成为NH₄⁺储存的关键活性位点；
首次揭示了NH₄⁺离子与蒽醌基COF之间独特的氢键相互作用，为相关领域的研究提供了新的视角；
组成的无金属离子水系铵离子全电池展现优异性能。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202424494
来源：石河子大学
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