2024年8月30日，青岛科技大学赵英杰教授（国家高层次青年人才）团队在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表题为“Triazine-Based Large-Sized Single-Crystalline Two-Dimensional Covalent Organic Framework for High-Performance Lithium-ion Batteries”的研究论文，团队2021级硕士研究生侯加恒、刘辉副教授为论文共同第一作者，赵英杰教授为论文通讯作者。

该研究采用传统的热溶剂法制备了具有优异结晶度和稳定性的大尺寸单晶二维COFs。通过直接在多壁碳纳米管(MWCNTs)上原位生长二维COFs，可以显著提高电化学性能。COFs和CNTs的优点是相辅相成的。所获得的COFs的单晶特性提高了结构完整性，并为锂离子电池应用带来了优异的化学和电化学稳定性。得到的COF-CNT核-壳杂化材料显著提高了导电性，并表现出优异的锂离子存储性能，容量高达228 mAh g^-1 (0.2 A g^-1)。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202414566

从合成的角度来看，一方面，研究发现单体中基于三嗪和吡啶的结构单元由于其刚性和平面性，对结晶度有积极促进作用。三嗪或吡啶基结构单元的有效堆积也可以导致COFs内更好的排列和堆叠，从而提高所得到的COFs的结晶度。此外，三嗪和吡啶单元中的氮原子可与相邻分子形成氢键。这些弱相互作用有助于COFs在合成过程中更有序地排列，从而形成更规则的晶体结构。因此，无需反复试验即可轻松获得大尺寸的单晶COFs材料。所获得的COFs的单晶特性提高了结构完整性，并为LIB应用带来了优异的化学和电化学稳定性。另一方面，三嗪基和吡啶基是吸电子基团，可以在充放电循环中稳定载流子(锂离子)，从而提高COFs的整体电化学性能。COFs的通道中存在大量的三嗪和吡啶基团，可以进行可逆的氧化还原反应，使其能够在充放电循环中储存和释放锂离子，并作为氧化还原活性位点。此外，通过简单在CNTs上原位生长2D COFs，所获得的COFs-CNT核-壳混合物的电导率可以显著提高，从而产生228 mAh g^-1(0.2 A g^-1)的高容量。

图6. T-COF的充放电机理示意图

总之，该研究解决了COFs领域的两个关键挑战：第一个挑战是大尺寸单晶2D COFs的合成，它可以增强结构完整性，并提供卓越的化学和电化学稳定性；第二个挑战是通过与碳纳米管形成复合材料来显著提高这些2D COFs在锂电池中的性能。利用COFs中的活性三嗪和吡啶结构，得到的CNTs-COF混合材料具有出色的锂离子存储性能，达到228 mAh g^-1(0.2 A g^-1)的高容量。

■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等

■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等

■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR

■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关

（信息来源：生化环材圈）