共价有机骨架材料是一类具有高比表面积和可调节孔径的独特结构的结晶有机材料。自2005年首次发现拓扑框架以来，COFs作为一种很有前途的材料在分离纯化、传感和催化等领域得到了广泛的应用。考虑到对可再生能源和清洁能源生产的需求，最近许多研究工作集中在将多孔材料应用于电化学能量存储和转化上。在这方面，已经投入了大量的精力来设计和合成用于电化学应用的COF基材料，包括用于燃料电池，超级电容器和电池的电极和膜。
有鉴于此，德国柏林工业大学Arne Thomas教授和Pradip Pachfule等人，着重介绍了COFs的设计原理和合成策略，并重点介绍了其在电化学领域的应用潜力。讨论了近年来提出的混合COF材料或具有分层孔隙率的COF，这可以减轻这些应用中COF最具挑战性的缺点。最后，概述了电化学应用中COF材料的主要挑战和未来发展趋势。
本文要点
1）自Yaghi及其同事于2005年发现共价有机框架以来，一系列的COFs被设计和合成以实现广泛的应用。由于其结构可控、高孔隙率和高表面积等优点，COFs是一种很有前途的能量转换和存储材料。的确，COFs具有一定的优势，这与该领域使用的其他典型材料不同。与碳和石墨烯基材料相比，首先具有非常好的结构控制。通过选择合适的结构单元，可以制备出化学结构明确、孔径大小和结构可调、密度低的材料，这是其他典型碳基电极材料所没有的。例如，COFs中的金属配位基团可以作为明确的电催化活性位点或氧化还原活性位点。另一方面，排他性共价键连接可产生完全π共轭的COF，从而实现增强的电荷传输。为了获得高而稳定的电催化性能，需要增加活性位点的数量和每个活性位点的固有活性，这是由于COF的高表面积而实现的。同时，由于电催化中的氧化还原反应一般发生在电解质和电极之间，伴随着离子传输和电子交换，因此基于COF的电催化剂的新型合成方法集中于在电催化过程中促进质量迁移和提高电导率。因此，在COFs中引入分层多孔结构和导电材料是创建更高级电催化剂的有前途的选择。
2）一般来说，为了设计和制造高效的COF基材料用于电化学应用，已经开发了不同的策略，包括:(i)化学修饰:根据所需的电催化应用，可以通过开发不同的策略来控制COF结构，包括主链修饰、官能团修饰和合成后修饰。(ii)在所有长度尺度上控制COF结构：在宏观长度尺度上，COF可以将其晶体结构与设计具有明确形态和杂化组分的体系结构相结合，使它们具有良好的传质和高导电性。
3）基于COF的材料已用作HER，OER，ORR和CO2RR的电催化剂，超级电容器和可充电电池中的电极以及电池和燃料电池中的固体电解质或质子导电膜。然而，COFs在能源应用方面仍然存在一些挑战。首先，低稳定性或有限的耐久性很大程度上限制了COF材料在能源相关器件中的实际应用。此外，COFs的可加工性差可能是它们在电催化中的另一个主要问题。这使得将COF材料集成到与能源相关的设备中具有挑战性。
参考文献：
Xiaojia Zhao, et al. Covalent organic frameworks (COFs) for electrochemical applications. Chem. Soc. Rev., 2021.
DOI: 10.1039/D0CS01569E
https://doi.org/10.1039/D0CS01569E
