湘潭大学刘备、阳梅/北化工邱介山AM: 蜂窝状多囊腔纳米球共价三嗪多孔聚合物助力超高比电容水系超级电容器

三嗪基共价有机聚合物（TCOPs）具有独特的结构和物理化学性质，在能量存储和转换应用中具有巨大潜力，但如何精细调控其形貌及活性位点以增强电容性能仍是一项挑战。湘潭大学刘备副教授和阳梅副教授联合北京化工大学大学邱介山教授，利用分子扭曲(转)诱导调控策略，制备出具有丰富氧化还原活性位点和独特网格状的多腔纳米球。通过扭曲单元的构象变化和优化奥斯特瓦尔德熟化时间，可精准调节腔体的数量和大小。得益于丰富的活性位点和独特的网格状多腔结构，TCOP 在KI 混合 H 2SO 4电解液中表现出超高的比电容（8412 F g −1, 1 A g −1），所组装的对称超级电容器具有 675 Wh kg −1 的超高能量密度，优于迄今为止报道的水性超级电容器。相关论文以“ Triazine-containing covalent organic polymer-derived grid-like multilocular spheres for aqueous supercapacitor”为题，发表在Adv. Mater.，第一作者为刘备。

背景介绍：

作为一类新兴的功能化多孔材料，含三嗪的共价有机聚合物（TCOPs）具有结构可控、功能可调、稳定性高等优异的物理化学性质，在催化、气体捕获与存储、能量转换/存储等众多领域展现出巨大的潜力。其中，基于TCOPs的超级电容器在能量存储领域的应用一直备受关注，这是由于其具有高存储容量和赝电容特性，能通过电极表面发生的氧化还原反应（赝电容，PC）和电极/电解质界面的物理电荷存储（双电层电容，EDLC）相结合的电荷存储机制实现工作。

TCOPs的电容性能取决于其表面特性、孔隙和腔体结构以及暴露的氧化还原活性位点的密度，也一直是TCOPs结构设计和优化的驱动力。目前已报道的TCOPs大多是空心球，它为快速质量传输提供了短的扩散路径，并且能够抑制电极材料在反复充放电过程中的体积变化。若能将内部空间分割成许多小网格，并用多孔壳层相互连接，则可以调节和增强内部吸附势能，或可极大地促进客体物质进入腔体空间。然而，高效合成具有网格状多腔结构的空心TCOPs球体的工作仍少有报道。

研究出发点

（1）利用分子扭曲诱导调控策略，设计合成了一种具有丰富氧化还原活性中心和独特网格状多腔纳米球形貌的新型三嗪基共价有机多孔聚合物（GS-TCOP）。

（2）首次将网格状多腔纳米球形的共价有机多孔聚合物引入水性氧化还原电容器体系进行系统研究。

（3）GS-TCOP在KI混合的H 2SO 4电解质中实现了超高的比电容（8412 F g −1, 1 A g −1）和能量密度（675 Wh kg −1）。

（4）实验和理论结果表明，超高的电容性能主要源自分子化学工程和形态工程对氧化还原增强GS-TCOP电极的协同作用。

图文解析

图1. 蜂窝状多囊腔纳米球共价三嗪多孔聚合物（GS-TCOP）的合成机理和形貌表征。

图2. 单体扭转效应与形貌结构的构效关系及GS-TCOP的结构表征。

图3. GS-TCOP的水系氧化还原超级电容性能研究。

图4. GS-TCOP的水系氧化还原超级电容储能机理。

图5. 理论计算验证GS-TCOP活性单元和形貌结构的储能机理。

参考文献：

Bei Liua, Lipu Zhaoa, Yijiang Liua, Hongbiao Chena, Huaming Lia, Mei Yanga*, Jieshan Qiub*, Triazine-containing covalent organic polymer-derived grid-like multilocular spheres for aqueous supercapacitors, Adv. Mater. 2025, DOI:10.1002/adma.202419124.

https://doi.org/10.1002/adma.202419124

作者简介

刘备，湘潭大学副教授，硕士生导师，中国化工学会储能工程委员会超级电容器及关键材料学术委员。湘潭大学高分子化学与物理专业博士，湖南大学材料工程专业博士后，主要研究方向为共价三嗪框架材料、多孔碳纳米材料的合成与新能源存储。主持国家自然科学基金、湖南省自科基金等项目6项，以第一/通讯作者在Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Small等国际知名期刊上发表论文20余篇，其中ESI高被引论文2篇，单篇最高被引600余次，授权国家发明专利7件。

阳 梅，湘潭大学副教授，硕士生导师。湖南省高分子学科专业委员会委员，主要研究方向为功能纳米材料以及聚合物粘结剂的设计、合成及其应用。曾获得2018年湖南省优秀博士学位论文、湖南省科技进步三等奖、湖南省专利一等奖、湖南省第12届自然科学优秀学术论文一等奖，在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal., B, Energy Storage Mater.等刊物上发表多篇论文。

邱介山，北京化工大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选、全国化工优秀科技工作者。现任中国科协先进材料学会联合体主席团副主席、中国超级电容联盟副理事长、北京中关村石墨烯产业联盟副理事长、《化工学报》副主编、Battery Energy副主编，Chem. Eng. Sci.、Energy Technology、Carbon Energy等20余种学术刊物编委。主要从事煤化工、材料化工、能源化工等领域研究，作为主要起草人之一，完成“煤焦化焦油加工工程设计标准”等多项国家标准制定；在Nature Materials, Nature Communications, JACS, Angewandte Chem, Science Advances, Joule, Matter, Chem等发表论文800余篇, h指数98 (Web of Science)，荣获教育部自然科学一等奖、辽宁省自然科学一等奖等奖励和表彰20余次。

来源：高分子科学前沿

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