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(lái),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。
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圖1. COFs基TENG實(shí)例
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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(guò)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(guò)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(guò)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。
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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(wú)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(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。第一,通過(guò)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(guò)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.2026
555, 217662, DOI: 10.1016/j.ccr.2026.217662
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