一种吡嗪基共价有机聚合物的制备及在水系锌离子电池正极中的应用

doi:10.7503/cjcu20240333

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 20240333.doi: 10.7503/cjcu20240333

一种吡嗪基共价有机聚合物的制备及在水系锌离子电池正极中的应用

陈辉¹, 吕双坤², 王春芳², 吕海明³, 张玉琦¹, 李然¹()

^1.延安大学化学与化工学院, 延安 716000
^2.松山湖材料实验室, 东莞 523808
^3.香港城市大学材料科学及工程系, 香港 999077

收稿日期:2024-07-03 出版日期:2024-10-10 发布日期:2024-09-04
通讯作者: 李然 E-mail:lirandeqhd@vip.163.com
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(21663032);陕西省科技资源开放共享平台项目(2021PT-004);陕西自然科学基础研究计划重点项目(2020QFY09-03);延安市优秀人才专项基金(2019-18);延安大学博士启动基金(YDBK2019-32);广西一级学科(农业资源与环境)项目、延安市多尺度材料组学及其应用交叉学科科技创新团队项目和延安市重点产业链项目(2022SLZDCY-013)

Preparation of a Pyrazine-based Covalent Organic Polymer and Its Applition in Aqueous Zinc Ion Battery Cathode

CHEN Hui¹, LYU Shuangkun², WANG Chunfang², LYU Haiming³, ZHANG Yuqi¹, LI Ran¹()

^1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000
^2.Songshan Lake Materials Laboratory，Dongguan 523808，China
^3.Department of Materials Science and Engineering，City University of Hong Kong，Hong Kong SAR 999077，China

Received:2024-07-03 Online:2024-10-10 Published:2024-09-04
Contact: LI Ran E-mail:lirandeqhd@vip.163.com
Supported by:
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摘要/Abstract

摘要：

共价有机聚合物(COPs)是由有机小分子单体聚合而成, 具有通过共价键连接的高度交联网络结构, 因此展现出独特的电化学特性. 在水系锌离子电池(AZIBs)领域, COPs作为电极材料, 参与离子嵌入与脱嵌, 因其特有的氧化还原活性位点和稳定的框架结构而备受关注. 本文报道了一种新型的含有多种电化学活性位点(如吡嗪基、苯亚胺基和羰基等)的共价有机聚合物TAPT-HAT-COP, 并将其用作AZIBs的正极材料. 实验结果表明, 该共价有机聚合物材料展现了优异的倍率性能. 在0.5 A/g的电流密度下, 首次放电比容量达到 137 mA∙h∙g^‒¹; 在5 A/g的高电流密度下, 经过4000次循环后仍能保持45.4%的容量. 本文研究结果为有机正极材料的设计提供了新的思路, 并可为开发先进的水系锌离子电池新型有机正极材料提供参考.

关键词: 共价有机聚合物, 水系锌离子电池, 正极材料

Abstract:

Covalent organic polymers（COPs） are polymerized organic small molecule monomers with a highly cross-linked network structure connected by covalent bonds， and thus can exhibit unique electrochemical properties. In the field of aqueous zinc ion batteries（AZIBs）， COPs are used as electrode materials involved in ion embedding and de-embedding， and have attracted much attention due to their unique redox active sites and stable framework structures. In this paper， a novel covalent organic polymer， TAPT-HAT-COP， which contains a variety of electrochemical active sites， such as pyrazine group， phenylimine group， and carbonyl group， was prepared and applied to the anode of AZIBs. Experimental results show that this material exhibited excellent multiplicity performance. At a current density of 0.5 A/g， its first discharge specific capacity reached 137 mA∙h∙g^‒1， and at a high current density of 5 A/g， the electrode material maintained 45.4% of its capacity after 4000 cycles. This study provides a new idea for the design of organic cathode materials and theoretical guidance for the development of new organic cathode materials for advanced aqueous zinc ion batteries.

Key words: Covalent organic polymer, Aqueous zinc ion batterie, Cathode material

中图分类号:

O646

TrendMD:

陈辉, 吕双坤, 王春芳, 吕海明, 张玉琦, 李然. 一种吡嗪基共价有机聚合物的制备及在水系锌离子电池正极中的应用. 高等学校化学学报, 2024, 45(10): 20240333.

CHEN Hui, LYU Shuangkun, WANG Chunfang, LYU Haiming, ZHANG Yuqi, LI Ran. Preparation of a Pyrazine-based Covalent Organic Polymer and Its Applition in Aqueous Zinc Ion Battery Cathode. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(10): 20240333.

图/表 6

Fig.1 FTIR spectra of TAPT(a), HAT⁃CN(b) and TAPT⁃HAT⁃COP(c)

Fig.2 FESEM image(A), TEM image(B) and elemental mapping(C—F) of TAPT⁃HAT⁃COP

Fig.3 CV curves of TAPT⁃HAT⁃COP at multiple scan rates from 0.5 to 5 mV/s(A), calculated capacitive contributions at different scan rates(B), the b values for different scan rate obtained by fitting(C) and EIS Nyquist plots of TAPT⁃HAT⁃COP(D)i = k1v+ k2v1∕2 (1)

Fig.4 Rate performance(A) and galvanostatic charge⁃discharge curves at different current densities(B) of the TAPT⁃HAT⁃COP

Fig.5 Cycle stability at 5 A/g of the TAPT⁃HAT⁃COP

Table 1 Impedance values and error of each part and Chi-Squared obtained from the fitting curve of EIS of initial and after cycling.

	R_s/Ω	R_ct error（%）	R_ct/Ω	R_ct error（%）	W_o/Ω	W_o error（%）	Chi⁃Squ
Initial	8.465	2.3327	53.15	4.1821	229.2	1.0461	0.005597
After cycling	9.072	1.0153	126.8	2.7965	323.7	4.5521	0.004244

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一种吡嗪基共价有机聚合物的制备及在水系锌离子电池正极中的应用

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