共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）因其周期性排列的氧化还原活性位点和拓展的给体-受体共轭结构，在水系锌-有机电池正极材料中备受关注。尽管多位点活性的COFs能够提供高比容量，但其活性单元较高的前线分子轨道（HOMO/LUMO）能级，往往导致材料的氧化还原电压平台偏低（<0.8 V），从而限制了电池的能量密度。因此，亟需开发具有低HOMO/LUMO能级给体-受体的新型COFs，以同步获得高容量和高电压平台，从而进一步提升锌电池的电化学性能。

我院甘礼华教授、刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池，课题组近期设计了低HOMO/LUMO给体-受体的三噻吩-三氰基COFs正极材料，促进了低反应能垒的CF₃SO₃⁻/NH₄⁺相反离子交替配位，揭示了p型三噻吩和n型三氰基单元的协同氧化还原电荷存储机制，有效解决了当前COFs高比容量和电压平台难以兼顾的难题，构建了高能量密度和长循环寿命的锌-有机电池。相关研究成果以Tri(Thiophene-Nitrile) Covalent Organic Frameworks With Low HOMO/LUMO Donor/Acceptor for High-Potential-Plateau Zinc Batteries为题发表于化学领域国际权威期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。

研究表明，有机正极材料较低的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）能级会导致较高的氧化和还原电压平台。通过理论计算筛选了一系列高氧化还原活性的受体和给体单元，其中三噻吩和三氰基具有最低的HOMO和LUMO能量水平，有望实现较高的氧化还原电压平台。

低LUMO三氰基受体与低HOMO三噻吩给体单元通过Knoevenagel缩合反应形成三噻吩-三氰基COFs（TN-COF），展示出高密度的双极性活性位点和高度共轭的结晶结构，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率。 

TN-COF正极材料用于锌-有机电池时，表现出高平均电压平台（1.2 V）、高比容量（335 mAh g⁻¹）、高能量密度（402 Wh kg⁻¹）和长循环稳定性（70,000次充放电后容量保持率为89.1%）。

异位光谱研究表明，三噻吩/三氰基作为TN-COF正极的电活性中心，分别与CF₃SO₃⁻和NH₄⁺电荷载体配位，引发稳定快速的18 e⁻电荷存储过程。这项研究工作为通过分子HOMO/LUMO能级策略设计高电压-容量有机正极材料提供了新的视角。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和永利集团青年百人计划的资助，博士生刘苹萱为论文第一作者，宋子洋特聘研究员、甘礼华教授、刘明贤教授为论文共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202525690