近日，東北師範大學吳興隆教授課題組在鉀離子電池負極材料方向上取得重要研究進展，研究成果發表於國際著名期刊。
該研究進行合理的材料組成和結構設計，開發了一種容量高、迴圈穩定性好的共價有機骨架負極材料（P-COF@SWCNT），在0.05 A/g電流密度下儲鉀容量可達438 mAh/g，並且充放電迴圈1400圈後仍未有儲鉀效能的明顯衰減。
研究成果以“Covalent Organic Framework with Highly Accessible Carbonyls and π-Cation Effect for Advanced Potassium-Ion Batteries”為題，發表於國際著名期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。吳興隆教授為論文的唯一通訊作者，化學學院2019級碩士研究生羅曉曦為論文第一作者。
近三年來，課題組培養的碩士生連續在先進電池材料方面取得系列重要研究進展，2016~2019級研究生碩士階段的代表性成果分別發表在學科頂級期刊《先進材料》(Advanced Materials)、《能源環境科學》(Energy & Environmental Science)、《能源環境材料》(Energy & Environmental Materials)和《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，在碩士研究生培養上取得突出成績。
作為下一代的可充電電池，鉀離子電池具有資源豐富、與鋰離子電池工作原理相似等優點，受到越來越多的關注和研究。然而，鉀離子的離子半徑較大，鮮有合適的無機材料能夠穩定可逆地儲存鉀離子而不受破壞，限制了鉀離子電池的發展。
與常見的無機電極材料相比，共價有機骨架一般由輕質元素（包括C、N、O和S等）組成，具有容量高、環境友好、價格低廉等優點。而且，有機化合物具有的獨特柔性結構、豐富活性基團等特性，可以穩定地儲存大量的鉀離子電池。
圖1 P-COF@SWCNT複合材料的示意圖和部分表徵結果
該研究工作透過合理的分子和結構設計，將共價有機骨架與碳奈米管複合（如圖1所示），合成了P-COF@SWCNT複合負極材料。在保留了原有有機電極材料儲鉀優勢的同時，碳奈米管導電網路的構建規避了有機材料本身電子電導性低等缺點，實現了載流子的高效傳輸和優異的儲鉀效能。
圖2 P-COF@SWCNT複合負極儲鉀機理的譜學研究結果
透過FTIR、Raman、XPS等表徵手段（如圖2所示）與理論計算相結合，確定了儲鉀的活性位點為共價有機骨架的C=O與萘環，在充放電過程中透過烯醇化反應和π-K+相互作用實現K+在材料中的可逆儲存。
該工作得到國家自然科學基金重大研究計劃（91963118）和面上專案（52173246）的資助。
歡迎關注"東北師範大學招生辦"頭條號，獲取關於首批國家"211工程"重點建設大學、國家"雙一流"建設高校——東北師範大學的最新精彩資訊！
素材來源：東北師範大學官網
