具有多孔性和堅固結構的共價有機框架（COF）材料對鉀離子電池（KIB）負極具有重要的應用意義，但它們受到可逆容量低和倍率能力差的限制。

圖1. TQBQ-COF中K⁺存儲的理論計算和示意圖

暨南大學李丹、賓德善等基于理論計算發(fā)現(xiàn)在π-共軛周期骨架中具有大量吡嗪和羰基的多孔體COF可以為高性能鉀存儲提供多個可訪問的氧化還原活性位點。具體而言，作者證明了在sp2-碳共軛（π-共軛）的周期性骨架中含有三喹啉（TQ）和苯醌（BQ）單元的塊狀COF（TQBQ-COF）可以作為可靠的負極，以用于高容量、快速和穩(wěn)定的K⁺儲存。

理論計算表明，C=O、C=N的基團以及共軛周期性骨架的陽離子-π相互作用位點可以為K⁺的儲存提供豐富的氧化還原活性位點，并且在鉀化后只引起小的體積變形。同時，C=O和C=N基團中的雙鍵賦予了這個sp2-碳共軛框架高穩(wěn)定性和令人印象深刻的儲鉀電子傳導性。

圖2. 半電池KIBs中TQBQ-COF負極的電化學性能

在理論計算的啟發(fā)下，作者合成了這種TQBQ-COF，并證明它可以在可逆容量（0.1C時為423 mAh g^-1）、高倍率能力和循環(huán)性（3C時2000次循環(huán)中每循環(huán)容量衰減～0.021%）方面實現(xiàn)前所未有的卓越組合。這些容量、倍率和循環(huán)性是以前報道的有機負極中的最佳值。

綜合表征證實，多重氧化還原活性主要由C=O、C=N和陽離子-π效應貢獻，這與理論模擬結果非常一致。

此外，該多孔COF負極還發(fā)現(xiàn)了一種以表面為主的K⁺儲存機制，這有利于K⁺的快速傳輸和穩(wěn)定儲存，且體積變形小。這一貢獻不僅為設計具有非凡綜合性能的KIBs的COF負極開辟了一條新的途徑，而且為COF負極的K⁺儲存機制提供了深入的研究。

圖3. 表面主導的K儲存的定量分析和電極的穩(wěn)定性表征

Multiple Accessible Redox-Active Sites in a Robust Covalent Organic Framework for High-Performance Potassium Storage. Journal of the American Chemical Society 2023. DOI: 10.1021/jacs.2c11264