三角孔道共价有机框架材料中节点效应对电荷存储的调控机制：分子动力学研究

本研究针对传统多孔碳材料无序孔道导致的离子传输效率低下问题，通过分子动力学模拟揭示了三角拓扑二维共价有机框架(2D COFs)中节点结构对[BMIM][BF4]离子液体电荷存储的调控机制。发现锐角结构可强化离子-电极相互作用，薄层电极展现出更高面积比电容(Csp)和质量比电容(Cm)，为设计新一代超级电容器电极材料提供了理论依据。

　　

在能源存储领域，电化学双电层电容器(EDLCs)因其卓越的功率密度和循环稳定性成为研究热点。然而传统多孔碳电极材料的无序孔道结构导致离子传输路径冗长，严重制约了性能提升。尽管金属有机框架(MOFs)等新型材料展现出有序孔道优势，但其孔道几何多样性研究仍存在空白。特别是具有锐角特征的三角孔道如何影响离子排列与电荷存储，成为亟待解决的科学问题。

中国研究人员通过分子动力学模拟系统研究了四种三角拓扑二维共价有机框架(2D COFs)的储能机制。选用[BMIM][BF₄]离子液体作为电解质，构建AA堆叠电极体系，重点分析了HPB-COF、HBC-COF及其衍生物的孔道尺寸效应。研究采用Materials Studio软件进行结构优化，通过LAMMPS程序实施分子动力学模拟，并利用VMD工具可视化离子分布。

Capacitive performance of the COF-EDLCs
薄层电极展现出显著优势：HBC-COF的面积比电容(C_sp)达最高值，归因于其较小孔径(1.4 nm)强化了离子排列；而HPB-COF因更大比表面积获得优异质量比电容(C_m)。锐角结构将离子集中约束在孔道特定区域，形成"离子富集区"，这种空间限域效应使电荷存储效率提升37%。

Conclusion
研究证实三角孔道2D COFs通过几何约束调控离子分布：小孔径(1.4-1.8 nm)促进内部双电层形成，大节点结构则增强界面电荷贡献。HBC节点COFs更利于面积比电容提升，HPB节点变体则通过扩大表面积优化质量比电容。

该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为理性设计高性能超级电容器电极提供了新思路。通过分子工程精确控制孔道几何形状，可突破现有储能材料性能瓶颈。未来需结合原位表征技术验证模拟结果，并探索更多拓扑结构对多离子传输的协同效应。研究团队特别指出，这种锐角孔道设计策略可延伸至其他纳米限域体系，为开发新型能源存储器件开辟道路。