Rechargeable aqueous Zn-ion energy storage devices are promising candidates for next-generation energy storage technologies. However, the lack of highly reversible Zn2+-storage anode materials with low potential windows remains a primary concern. Here, we report a two-dimensional polyarylimide covalent organic framework (PI-COF) anode with high-kinetics Zn2+-storage capability. The well-organized pore channels of PI-COF allow the high accessibility of the build-in redox-active carbonyl groups and efficient ion diffusion with a low energy barrier. The constructed PI-COF anode exhibits a specific capacity (332 C g-1 or 92 mAh g-1 at 0.7 A g-1), a high rate capability (79.8% at 7 A g-1), and a long cycle life (85% over 4000 cycles). In situ Raman investigation and first-principle calculations clarify the two-step Zn2+-storage mechanism, in which imide carbonyl groups reversibly form negatively charged enolates. Dendrite-free full Zn-ion devices are fabricated by coupling PI-COF anodes with MnO2 cathodes, delivering excellent energy densities (23.9 ∼ 66.5 Wh kg-1) and supercapacitor-level power densities (133 ∼ 4782 W kg-1). This study demonstrates the feasibility of covalent organic framework as Zn2+-storage anodes and shows a promising prospect for constructing reliable aqueous energy storage devices.

Abstract Organic electrode materials are of long‐standing interest for next‐generation sustainable lithium‐ion batteries (LIBs). As a promising cathode candidate, imide compounds have attracted extensive attention due to their low cost, high theoretical capacity, high working voltage, and fast redox reaction. However, the redox active site utilization of imide electrodes remains challenging for them to fulfill their potential applications. Herein, the synthesis of a highly stable, crystalline 2D polyarylimide (2D‐PAI) integrated with carbon nanotube (CNT) is demonstrated for the use as cathode material in LIBs. The synthesized polyarylimide hybrid (2D‐PAI@CNT) is featured with abundant π‐conjugated redox‐active naphthalene diimide units, a robust cyclic imide linkage, high surface area, and well‐defined accessible pores, which render the efficient utilization of redox active sites (82.9%), excellent structural stability, and fast ion diffusion. As a consequence, high rate capability and ultrastable cycle stability (100% capacity retention after 8000 cycles) are achieved in the 2D‐PAI@CNT cathode, which far exceeds the state‐of‐the‐art polyimide electrodes. This work may inspire the development of novel organic electrodes for sustainable and durable rechargeable batteries.

Carbon electrocatalysts consisting of metal complexes such as MNx or MSx are promising alternatives to high-cost Pt catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER). However, the exact HER active sites remain elusive. Here, molecular metal dithiolene-diamine (MS2 N2 , M=Co and Ni), metal bis(dithiolene) (MS4 ), and metal bis(diamine) (MN4 ) complexes were selectively incorporated into carbon-rich 2D metal-organic frameworks (2D MOFs) as model carbon electrocatalysts. The 2D MOF single layers, powders, and composites with graphene were thus prepared and showed definite active sites for H2 generation. The electrocatalytic HER activity of the 2D MOF-based catalysts with different metal complexes follow the order of MS2 N2 >MN4 >MS4 . Moreover, the protonation preferentially occurred on the metal atoms, and the concomitant heterolytic elimination of H2 was favored on the M-N units in the MS2 N2 active centers. The results provide an in-depth understanding of the catalytic active sites, thus making way for the future development of metal complexes in carbon-rich electrode materials for energy generation.

Abstract The chemistry of the on-water surface, characterized by enhanced reactivity, distinct selectivity, and confined reaction geometry, offers significant potential for chemical and materials syntheses. However, the utilization of on-water surface synthesis is currently limited by the requirement for a stable air-water interface, which restricts its broader synthetic applications. In this work, we present a approach that mimics on-water surface chemistry using micelles. This method involves the self-assembly of charged surfactant molecules beyond their critical micelle concentration (CMC), forming micellar structures that simulate the air-water interface. This creates an environment conducive to chemical reactions, featuring a hydrophobic core and surrounding water layer. Utilizing such mimicking on-water surface with the assembly of porphyrin-based monomers featuring distinct confined geometry and preferential orientations, we achieve reactivity and selectivity (≥99%) in fourteen different reversible and irreversible chemical reactions. Extending the versatility of this approach, we further demonstrate its applicability to two-dimensional (2D) polymerization on micellar interfaces, successfully achieving the aqueous synthesis of crystalline 2D polymer thin layers. This strategy significantly broadens the accessibility of on-water surface chemistry for a wide range of chemical syntheses.