共价有机框架材料在锌空气电池阴极的应用进展

李维1，王超峰1，易文迪1，杨枫1，陆海跃1，陈嘉亮1，江浩庆1，王景云2（1 河南省科学院激光制造研究所；2 河南牧业经济学院包装与印刷工程学院）

摘要：氧还原反应（ORR） 是锌空气电池（ZABs） 中的关键半反应，但其动力学缓慢，亟须开发高性能催化剂以提升ORR效率并替代商业贵金属基Pt/C催化剂。共价有机框架（COF） 材料作为一种新兴多孔有机材料，凭借其独特的可设计性结构、可控的孔道环境、丰富的活性位点以及无热解无金属特性，在ZABs阴极ORR催化中展现出巨大潜力，但也面临本征导电性低、活性位点利用率不足、长期稳定性欠佳及规模化制备困难等问题。本文综述了近年来COF基ORR催化剂的研究进展，重点介绍了通过杂原子掺杂（如S、N、Se）、催化基团设计（如甲基、自由基、边缘功能化）、键合模式调控（如唑键、不饱和键）、边缘工程设计、金属复合（如Co、Pt单原子/团簇） 以及导电碳复合（如碳纳米管、石墨烯） 等策略，优化COF结构以提升其ORR催化活性和选择性的方法，并深入探讨了其构效关系。分析表明，通过精确调控活性位点的电子环境、增强电荷传输效率、优化传质路径和提升结构稳定性，COF基催化剂性能已接近甚至超越商业Pt/C。未来研究需深度融合材料化学、原位表征技术和机器学习等多学科前沿，重点发展全共轭骨架和惰性连接键，以提升导电性（约10-³S/cm） 和循环寿命（>1000h），结合介孔工程和缺陷工程提高活性位点暴露率（>80%），并开发连续流反应器等新工艺，实现规模化制备（产率>50%），以推动COF基催化剂助力ZABs向高功率密度（>250mW/cm²）、超长循环（>2000次） 和低成本方向发展。

关键词：共价有机框架；锌空气电池；氧还原反应；结构设计；复合催化剂