基于9,10-二杂蒽的共价有机框架新型电极材料的设计、合成与性能研究

Covalent organic frameworks (COFs) are an emerging class of conjugated porous organic materials. Featured with high surface area, pores available for free transportation of electrolytes, insolubility in electrolytes for batteries or capacitors, COFs have the great advantages as electrode materials. However, COFs obtained so far suffered from many problems, such as low potentials, low electrochemical cyclic stabilities, and poor conductivities, etc.. To address those problems, this project intends to incorporate moieties with high potentials, high electrochemical cyclic stabilities, and high hole-conductivities into the COF backbones, and develop a series of novel conjugated COFs based on (2H)phenazine, phenoxazine and phenothiazine. The optimization of synthetic conditions for bulk COFs and their nanosheets will be explored. Properties of the resultant COFs, such as potentials, conductivities, and electrochemical cyclic stabilities, will be investigated. The relationships and effects of functional groups and substitution groups will be studied. Electrode materials with high potentials, high electrochemical cyclic stabilities and high hole-conductivities will be achieved. This project will establish foundation to develop excellent power storage devices, such as secondary batteries and pseudocapacitors, with high power, high energy densities and long life-times.

共价有机框架材料（COF）是一类新兴共轭有机多孔材料。该类材料具有表面积高、材料孔道可供电解质离子顺利传输、在电池或电容器电解液中难溶等优点，在电极材料上有巨大优势和应用潜力。然而现有COF电极材料往往存在电位低、电化学循环稳定性不高、导电性差等问题。基于此，本项目拟以具备高电位、高电化学循环稳定性和高空穴导电能力的9,10-二杂蒽为COF骨架，设计一系列基于(2H)吩嗪、吩噁嗪和吩噻嗪的新型COF共轭材料。通过研究反应条件，实现该类COF及其纳米片层材料的高效合成；研究该类材料的电位、导电性及电化学循环稳定性等电学性质；深入探讨不同功能基团及取代基对材料性能的影响及规律。最终优化出具有高电位、高电化学循环稳定性和高空穴导电能力等性质优异的电极材料。通过本项目的顺利实施，为研制高功率、高能量密度及长寿命的二次电池和赝电容器等高效储电设备奠定坚实基础。

能源和环境问题是当今社会发展的全球性问题，有效利用环境友好的可再生能源是解决这些问题的重要途径。然而许多可再生能源受时间、天气、季节等变化影响，并不能稳定供应。而电池、赝电容器等储电设备可将可再生能源产生的电能转化为稳定电能，便于直接使用或并网。有机共价框架材料（COF）在电极材料上有巨大应用潜力。其原因是：1）该类材料不溶于包括电解质溶液在内的任何溶剂，有利于增强电极材料稳定性，提高电池充放电次数；2）COF具有很高的比表面积，有利于提高电极材料活性位点利用率，而且当作为赝电容器电极材料时，可以提高双电层电容容量；3）COF材料有可精确设计调控的、有序排列的、且大小一致的孔，可供电解质离子通过，极大缩短离子扩散路径，从而可提高电极材料充放电效率；4）二维COF和石墨烯类似，具有共轭片层结构，理论上应具有导电性，有利于提高充放电效率和活性位点利用率。然而现有COF电极材料往往存在电位低、电化学循环稳定性不高、导电性差等问题。基于此，本项目以具备高电位、高电化学循环稳定性和高空穴导电能力的9,10-二杂蒽为COF骨架，设计一系列基于(2H)吩嗪、吩噁嗪和吩噻嗪的新型COF共轭材料。通过研究反应条件，实现了该类COF材料的高效合成；研究了该类材料的电位、导电性及电化学循环稳定性等电学性质；深入探讨不同功能基团及取代基对材料性能的影响及规律。最终优化得到具有高电位、高电化学循环稳定性和高空穴导电能力等性质优异的电极材料，并发现二杂蒽材料有类似自发弥合性能。通过本项目的顺利实施，为研制高功率、高能量密度及长寿命的二次电池和赝电容器等高效储电设备奠定坚实基础。