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  當前能源和環境問題日益嚴峻，亟需發展太陽能、水能和風能等綠色清潔能源。然而這些綠色清潔能源需進一步轉化和儲存才可實現高效利用。超級電容器是一種先進的電化學儲能裝置，其因功率密度高、穩定性好、工作溫度范圍寬而備受關注。超級電容器分為雙電層電容器和贗電容器，其中贗電容器能夠提供更高比電容，是當前領域的研究熱點。近年來，有機電極材料由于理論容量大、結構設計靈活、環境友好、價格低廉等優點，引起了科學家的日益關注。共價有機框架（COFs）是一類新型的多孔晶態有機聚合物，具有結構清晰、比表面積大、孔隙率可調、官能團可設計等特點。通過理性設計，易于將儲能基團組裝到COFs聚合物的規則有序結構中，同時COFs的多孔結構利于電解液的浸潤、粒子（離子、電子等）的運輸和活性部位的暴露，這些優點使COFs在儲能方面顯示出巨大的應用潛力。

  南開大學化學學院張振杰課題組長期致力于開發新的合成方法來制備新型多孔聚合物，應用于仿生驅動、智能監測、離子傳導等方向（Nat. Commun., 2021, 12, 1982；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 2974; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 6055; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3678; ACS Cent. Sci., 2020, 6, 787; ACS Cent. Sci. 2019, 5, 1352）。作者進一步發展了前期提出的“分步合成策略”，制備了兩種高結晶性、高穩定性的COFs (NKCOF-2和NKCOF-8)。這兩個COFs含有豐富的氧化還原活性基團和質子傳導基團，展現出高的比表面積、良好的親水性和優異的化學穩定性，這些特性為NKCOFs的儲能應用提供了保障。進一步將NKCOFs與碳納米管（CNTs）原位復合后，材料展現出了優異的電化學儲能性能。電化學性質測試表明，材料表現出明顯的贗電容性質，在0.5 A/g的電流密度下展現出440 F/g的高比電容，是最高的COF基超級電容器之一，并且在10 A/g的大電流密度下充放電循環10000次仍能保持90%的容量。組裝的不對稱超級電容器輸出的最大能量密度為71 Wh/kg，最大功率密度為42 kW/kg，超過了報道的COF基材料。相關工作“Grotthuss Proton Conductive Covalent Organic Frameworks for Efficient Proton Pseudocapacitors”發表于《Angew. Chem. Int. Ed.》。

圖1. 材料的合成路線圖

圖2. 材料的電化學性質

  這項工作為設計高性能水系超級電容器儲能材料提供了新思路。本論文的第一作者為南開大學化學學院助理研究員楊毅，通訊作者是南開大學化學學院張振杰研究員。該工作得到了國家自然科學基金、111工程和南開大學有機新物質創造前沿科學中心的支持。

  原文鏈接：

  Grotthuss Proton Conductive Covalent Organic Frameworks for Efficient Proton Pseudocapacitors

Yi Yang, Penghui Zhang, Liqin Hao, Peng Cheng, Yao Chen, Zhenjie Zhang* 

  Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/ange.202105725

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202105725