燃料电池以其绿色高效、环境友好、可靠性高等优点，在航空、航天通讯，交通等方面展现出巨大应用潜力，也成为未来能源可持续发展的重要研究方向之一。氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属-空气电池阴极组成部分的核心反应。目前，具有高催化活性的碳基非金属电催化剂（CMFE）被认为是传统贵金属催化剂最有前途的替代品。一般而言，纯碳基电催化剂的性能源于活性位点电子环境的重新分布。已有相关研究证明，杂原子掺杂、缺陷诱导等引是活性位点电子环境再分布的有效策略，但是传统的热解或杂原子掺杂方法通常会导致分子结构不明确、催化活性位点不确定等问题。
共价有机框架（COFs）是通过共价键连接的多孔有序且结构明确的一类高分子材料体系。这些模块化结构可将特定功能的构建块插入其骨架中，从而达到扩展周期性结构，调控光学、电子和催化性能的目的。在该类催化材料的结构设计中，科研工作人员经常采用各种各样的复杂分子来提高电催化活性，因此，催化活性不仅受到杂原子的数量和位置的影响，而且还受到其他因素的影响，例如空间位阻、键合角和构建块的分子构型等，这些因素不利于准确识别活性中心。
基于以上科学问题，生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室龙晓静教授采用价键策略定向设计并开发了一类非金属共价有机框架氧还原催化剂。众所周知，甲基只含有C和H元素，具有电化学惰性，但是甲基的引入可改变分子的构型和基本性质，从而使神奇的甲基效应在医学、有机光电和纳米结构材料等领域受到广泛研究。与传统的杂原子掺杂非金属碳基电催化剂的设计原理不同，该工作仅通过调控甲基的键合状态，开发出高效的非金属、无碳化、无杂原子掺杂的碳基催化材料体系。值得注意的是，该工作通过电化学原位拉曼光谱并结合理论拉曼等大量理论结果证实了催化活性中心。
相关研究成果以“Metal-Free carbon-Based covalent organic frameworks with heteroatom-Free units boost efficient oxygen reduction”为题，在国际顶级化学期刊Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202209129) 上发表。我校为唯一完成单位，龙晓静教授为独立通讯作者，2019级硕士研究生游志虎为文章第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省泰山学者青年专家项目和山东省优秀青年基金项目的资助。
论文信息：Metal-Free carbon-Based covalent organic frameworks with heteroatom-Free units boost efficient oxygen reduction. Zhihu You, Bingbing Wang, Zijie Zhao, Qiankun Zhang, Weichen Song, Chuanhui Zhang, Xiaojing Long*, Yanzhi Xia，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209129
这项工作是龙晓静教授近期在非对称设计（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, e202209583; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 26483; Appl. Catal. B, 2022, 304, 120908; Small 2021, 2105524）和杂环化调控（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 11369; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 3322）之后取得的又一重要进展。
