摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）能夠?qū)h(huán)境中的機(jī)械能（如人體運(yùn)動(dòng)、風(fēng)能、水流等）轉(zhuǎn)化為電能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料選擇廣泛等優(yōu)勢(shì)。其在可穿戴電子設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)和藍(lán)色能源收集等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。而共價(jià)有機(jī)框架材料（COFs）因其高度有序的孔道結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和可調(diào)控的物理化學(xué)性質(zhì)，在催化、傳感等光電領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。自2020年首次將COFs引入摩擦納米發(fā)電機(jī)以來，人們對(duì)COFs電極材料的興趣與日俱增。近日，中原工學(xué)院邵志超課題組對(duì)COFs基TENG研究進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與探討，該綜述發(fā)表在Coordination Chemistry Reviews上。

圖1. COFs基TENG實(shí)例

圖2. COFs基TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

該工作深入探討了COFs基摩擦電材料的設(shè)計(jì)策略：（一）通過采用精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)預(yù)先整合配位位點(diǎn)，以原子級(jí)分散的方式將金屬錨定在框架上，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)和框架穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)快速電荷移動(dòng)；（二）通過引入吸電子基團(tuán)或給電子基團(tuán)到COFs骨架后，能夠誘導(dǎo)局部電子分布不對(duì)稱，調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)電荷的分離和傳輸，抑制電荷復(fù)合；（三）通過引入陽(yáng)離子或者陰離子，在離子型骨架上的密集電荷中心能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電相互作用，增強(qiáng)與摩擦材料接觸時(shí)的表面電荷密度和電子捕獲能力。此外，本文總結(jié)了COFs基TENG在三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括自供能防腐、自供能傳感以及自供能催化領(lǐng)域。

圖3. COFs基TENG發(fā)展方向

盡管COFs在構(gòu)建摩擦納米發(fā)電機(jī)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，但基于COFs的摩擦電極材料仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足構(gòu)建高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)的要求。本文對(duì)COFs 基TENG未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。第一，通過模擬生物離子泵機(jī)制，在COFs中構(gòu)建定向離子傳輸通道，將離子極化效率提升至新高度。第二，通過機(jī)器學(xué)習(xí)加速篩選，結(jié)合AI技術(shù)預(yù)測(cè)高電子親和力單體組合，如篩選含氟/溴單體與金屬卟啉的最優(yōu)配比等，旨在為COF材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新提供指導(dǎo)，推動(dòng)TENG技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

該研究的第一作者為中原工學(xué)院碩士研究生劉偉兵，通訊作者為中原工學(xué)院邵志超副教授，中原工學(xué)院為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

Advantages and challenges of covalent organic frameworks for triboelectric nanogenerator materials

Weibing Liu, Zhichao Shao, Xueyou Wang, Yuchen Liu, Long Li, Yi Wei

Coord. Chem. Rev.

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