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Synthesis and Structure–Property Relationships of Polyimide Covalent Organic Frameworks for Carbon Dioxide Capture and (Aqueous) Sodium-Ion Batteries

水溶液 材料科学 二氧化碳 离子 共价键 碳纤维 聚酰亚胺 化学工程 纳米技术 高分子化学 无机化学 化学 有机化学 复合材料 复合数 图层(电子) 工程类 冶金
作者
Remco van der Jagt,Alexandros Vasileiadis,Hugo Veldhuizen,Pengpeng Shao,Xiao Feng,Swapna Ganapathy,Nicolas C. Habisreutinger,Monique A. Van Der Veen,Chao Wang,Marnix Wagemaker,Sybrand van der Zwaag,Atsushi Nagai
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (3): 818-833 被引量:110
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.0c03218
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are an emerging material family having several potential applications. Their porous framework and redox-active centers enable gas/ion adsorption, allowing them to function as safe, cheap, and tunable electrode materials in next-generation batteries, as well as CO2 adsorption materials for carbon-capture applications. Herein, we develop four polyimide COFs by combining aromatic triamines with aromatic dianhydrides and provide detailed structural and electrochemical characterization. Through density functional theory (DFT) calculations and powder X-ray diffraction, we achieve a detailed structural characterization, where DFT calculations reveal that the imide bonds prefer to form at an angle with one another, breaking the 2D symmetry, which shrinks the pore width and elongates the pore walls. The eclipsed perpendicular stacking is preferable, while sliding of the COF sheets is energetically accessible in a relatively flat energy landscape with a few metastable regions. We investigate the potential use of these COFs in CO2 adsorption and electrochemical applications. The adsorption and electrochemical properties are related to the structural and chemical characteristics of each COF, giving new insights for advanced material designs. For CO2 adsorption specifically, the two best performing COFs originated from the same triamine building block, which-in combination with force-field calculations-revealed unexpected structure-property relationships. Specific geometries provide a useful framework for Na-ion intercalation with retainable capacities and stable cycle life at a relatively high working potential (>1.5 V vs Na/Na+). Although this capacity is low compared to conventional inorganic Li-ion materials, we show as a proof of principle that these COFs are especially promising for sustainable, safe, and stable Na-aqueous batteries due to the combination of their working potentials and their insoluble nature in water.
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