锂硫电池因其高理论能量密度（2600 Wh k g -1）、低成本和环境友好等优势而被认为是最有前途的储能设备之一。然而，硫正极的缓慢动力学、可溶性多硫化物的穿梭效应以及锂金属负极的低可逆性给锂硫电池的商业化带来了重大挑战。由于锂硫电池中两种电极的理化性质和反应截然不同，只有少数研究尝试同时解决多硫化物穿梭和锂枝晶生长这两个难题。
共价有机框架（COFs）作为一类新兴的多孔结晶聚合物，具有规则的孔结构和可设计的化学环境，是一种理想的平台，可设计同时解决穿梭效应和锂枝晶问题的多功能框架材料。理论上，在COFs中添加具有催化活性的金属位点可以加速多硫化物的转化，进一步提高锂硫电池的反应动力学和库伦效率。近日，来自学的左景林教授与金钟教授合作，提出将电化学活性的镍二硫烯单元和富N极性位点的三嗪基元集成在同一框架中，作为硫正极宿主，可以有效吸附多硫化物并催化多硫化物的转化，并且应用于锂金属负极可以诱导锂金属均匀沉积。这项工作证明了整合催化和吸附位点以优化宿主材料和氧化还原活性中间体之间化学相互作用的有效性，可能有助于合理设计用于高性能二次电池的金属配位COF材料。
作者将一种基于镍二硫烯配合物衍生的醛基单体[Ni(bded ) 2]，与富含极性N位点的2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪 (TAPT) 通过溶剂热反应合成了一种三维COF (Ni S 4-TAPT)，同时，还合成了一种不含富N三嗪基元的同构COF (Ni S 4-TAPB)。通过Materials Studio软件的模拟并结合Pawley对PXRD谱图的精修，作者确定了两种Ni S 4-COFs的结构，同属于正交晶系 Cmcm空间群结构，表现为二重穿插的ffc拓扑结构。
作者对Ni S 4-TAPT与不含N位点的对比样Ni S 4-TAPB，以及一种同拓扑结构3D COF但不含金属中心的ETTA-TFPB COF进行了动力学测试分析、倍率性能以及长循环稳定性能测试。S@Ni S 4-TAPT正极表现出了最快的反应动力学以及最高的比容量。作者接着通过理论分析了Ni S 4-TAPT中镍二硫烯基元以及三嗪中心在多硫化物中的作用，研究表明，三嗪中心对多硫化物有更强的吸附能力，而镍二硫烯基元则有效降低多硫化物转化步骤能垒。结合对比实验与理论模拟，确定了Ni S 4-TAPT对多硫化物的有效吸附以及催化转化作用。Ni S 4-TAPT的结构设计体现了结构与功能之间的构效关系。而且这种将吸附位点与催化位点集成在同一框架中的设计，优化了硫宿主材料与多硫化物中间体之间的化学作用，更有效抑制多硫化物的穿梭。
作者还将Ni S 4-TAPT应用于锂硫电池负极，证明了Ni S 4-TAPT集流体对于Li金属均匀沉积的诱导作用。并组装了基于Ni S 4-TAPT材料的全电池Li@Ni S 4-TAPTS@Ni S 4-TAPT，在0.5 C电流密度下的初始放电容量为1150 mA h g −1，在1.0 C电流密度下循环400圈后电池的放电比容量为620 mA h g −1，容量保持率为73%，平均每圈循环损失0.0675%，其库伦效率一直保持在99%左右，体现了Li@Ni S 4-TAPTS@Ni S 4-TAPT优异的循环稳定性。这项工作为合理设计应用于高能二次电池的多功能金属COF基电极材料提供了新的思路。
该工作近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章第一作者是学博士生吕森和马兴凯，袁帅老师参与了本研究工作。
