共价有机框架（COFs）作为电催化剂极具前景，但其合成通常受限于冗长反应时间（>72 h）、高温（>120 °C）及有机溶剂的使用；传统方法还需多次冷冻-泵-解冻循环，放大生产困难。

2025年10月8日，15px; font-family: mp-quote, -apple-system-font, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"}]">武汉纺织大学彭兰，西安交通大学郗凯，武汉大学易红在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Supercritical CO₂-assisted rapid synthesis of covalent organic framework-based electrocatalyst for efficient two-electron oxygen reduction reaction》的研究论文，Junqi Song、Zhiqiang Zhang、Weiping Li为论文共同第一作者，郗凯、易红、彭兰为论文共同通讯作者。

在本文中，作者提出了超临界二氧化碳（Sc-CO₂）辅助策略，实现COFs在碳基底上的快速原位生长。

该超临界-溶剂热法所得COF@CNT复合材料对两电子氧还原反应（2e^⁻ ORR）表现出高效电催化性能：在800 mA cm^-2下，H₂O₂产率达94 mol g_cat^-1 h^-1，法拉第效率（FE）超过95%。该方法减少有机溶剂消耗、缩短反应时间并避免高温，为COFs的规模化合成提供高效、绿色途径。

Sc-CO₂策略兼具效率、放大潜力与环境友好性，是COF基电催化剂快速开发的理想平台。

图1：超临界CO₂辅助溶剂热合成ORR电催化剂示意图。概念图展示快速且环境友好的合成过程：超临界CO₂促进原位聚合，使共价有机框架直接生长在碳纳米管基底上，获得用于两电子氧还原反应的高性能催化剂。

图2：SC-COF的结构与表征。（a）SC-COF在Sc-CO₂中合成的示意图。SC-COF的粉末X射线衍射（PXRD）谱图：（b）SC-COF_TSA，（c）SC-COF_TAZ，（d）SC-COF_Ph。（e）通过Sc-CO₂溶剂热法在数分钟内合成的COF_TSA的PXRD谱图。（f）所合成COFs（100）晶面衍射峰的半高宽（FWHM）。（g）20批次大规模合成的SC-COF_TAZ的PXRD谱图（插图：对应数码照片）。（h）SC-COF_TAZ的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像。（i）SC-COF的氮气吸附-脱附等温线。

图3：O₂饱和0.1 M KOH电解液中的电催化性能。（a）线性扫描伏安（LSV）曲线展示活性趋势；（b）H₂O₂选择性与电子转移数（n）；（c）Tafel斜率凸显动力学特征；（d）按BET比表面积归一化的LSV曲线，用于本征活性对比；（e）于约0.56 V进行的稳定性测试，期间周期性进行铂环还原以消除PtOx累积。

图4：SC-COF_TSA在ORR中的催化机理与结构洞察。（a）COF_TSA、COF_TAZ与COF_Ph的静电势（ESP）图。（b）COF_TSA、COF_TAZ与COF_Ph的LUMO-HOMO分布。（c）2e^⁻ ORR与4e^⁻ ORR反应机理。（d）2e^⁻ ORR路径的自由能图。（e）2e^⁻ ORR的理论活性火山曲线。（f）SC-COF_TSA在不同电位下的原位ATR-FTIR光谱。

图5：SC-COF@CNT材料的结构与电化学表征。（a）COF在CNT上原位生长的示意图。（b）SC-COF_TSA的TEM图像（左上角插图为SEM图像）。（c）SC-COF_TSA@CNT-30的TEM图像（左上角插图为SEM图像，右上角插图为COF层厚度TEM图像）。（d）起始电位与Tafel斜率的对比。（e）在含0.1 M H₂O₂的Ar饱和0.1 M KOH中的LSV曲线。（f）电化学阻抗谱（EIS）。（g）拟合所得双电层电容（C_dl）。

图6：SC-COF_TSA@CNT在流动池与MEA中的性能评估。（a）气体扩散流动池结构示意图。（b）SC-COF_TSA@CNT-30在液流池中的LSV曲线。（c）不同电流密度下的H₂O₂产率。（d）H₂O₂法拉第效率（FE）及对应电位随电流密度的变化。（e）催化剂在流动池中的长期计时电位（CP）测试（未进行iR补偿）。（f）膜电极组件（MEA）结构示意图。（g）催化剂在MEA构型中的长期CP测试（未进行iR补偿）。

综上，作者开发了一种超临界CO₂辅助的快速合成策略，在碳纳米管上原位生长共价有机框架（COF）电催化剂，用于高效双电子氧还原反应（2e^⁻ ORR）产双氧水（H₂O₂）。

该催化剂在800 mA cm^-2电流密度下实现94 mol g^-1 h^-1的H₂O₂产率和超过95%的法拉第效率，具备高活性、高选择性和优异的稳定性，展现出良好的工业放大与应用前景。

Supercritical CO₂-assisted rapid synthesis of covalent organic framework-based electrocatalyst for efficient two-electron oxygen reduction reaction. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64901-1.