化學科學與工程學院劉明賢研究團隊將質子傳導超分子氫鍵有機超結構應用於高性能鋅-有機電池，相關成果發表於《德國應用化學》
來源🕐：化學科學與工程學院
時間：2023-02-16 瀏覽：
有機材料因其結構多樣性和功能可調性等優點，是近年來備受關註🏌🏿♀️，被視為新型可充電電池極具競爭力的電極材料。然而🚣🏻♀️，有機材料往往面臨著活性基團利用率低、易溶於電解液等問題，容易引發電極容量和循環穩定性衰減，特別是在高倍率充放電時表現得尤為突出。此外🕰，有機電極材料的性能也取決於電荷載體的擴散/吸附動力學🤪。相對於Zn2+🔒，質子（H+）因其非常小的離子半徑和質量💇🏿♂️，能夠實現快速穩定的反應動力學🖍，是鋅-有機電池理想的電荷載體👨🏼⚕️。然而，如何設計兼具高活性、高效質子存儲🥜、結構穩定的有機電極材料在水系鋅-有機電池研究中頗具挑戰。
近日👩👩👧👧，我校化學科學與工程學院劉明賢教授研究團隊，構建了質子傳導超分子氫鍵有機超結構🖼，揭示了超結構氫鍵網絡中超穩定快速的Grotthuss質子傳導機製💇🏼♀️，促進羰基位點的高效利用和低反應能壘的質子耦合氧化還原反應，實現了水系鋅-有機電池高比容量♠︎、高倍率性能和長循環壽命的協同輸出。相關研究成果“Proton-Conductive Supramolecular Hydrogen-Bonded Organic Superstructures for High-Performance Zinc-Organic Batteries”以Research Article的形式在線發表於化學領域國際著名學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）🧑🏿🦳。
實驗結果和理論計算表明：電子屬性互補的三聚氰酸（電子受體）和1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺（電子給體）通過分子內氫鍵（N−H‧‧‧O and N−H‧‧‧N）和π−π平面堆疊自組裝形成花狀超分子氫鍵超結構，其超分子氫鍵網絡展示出很強的親電子活性和較低的能帶間隙，顯著提高了電子轉移動力學和電極氧化還原速率。
原位/異位光譜研究表明⏪💂🏽♀️：高度穩定的氫鍵超結構能有效抑製活性官能團溶解，充分暴露羰基電活性中心，引發高度可逆的氧化還原反應。氫鍵網絡克服了鋅離子去溶劑化能壘過高引起的動力學遲滯問題🚵🏼♀️，促進了超穩定和快速Grotthuss質子傳輸💃🏿，實現了鋅-有機電池中質子主導的電荷存儲。
第一性原理計算、差分電荷分析和計算流體力學模擬表明👸🏻：i）氫鍵超結構單元經歷了兩步連續的九電子氧化還原反應過程；ii）羰基位點與質子間存在強相互作用🪆，發生明顯的電荷傳輸⤴️，促進電極/電解質界面電荷累積；iii）氫鍵網絡中獨特的Grotthuss質子傳導機製🧛，有效降低了離子的擴散遷移勢壘，顯著提高了水系鋅-有機電池中的質子存儲容量🍲。
超分子氫鍵有機超結構材料用於水系鋅-有機電池時，表現出高比容量（311 mAh g−1@1A g−1）、高倍率性能（135 mAh g−1@150 A g−1）和長循環穩定性（50,000次充放電後容量保持率為92.3%）。這項研究為解決有機材料的固有問題，構建高性能鋅-有機電池提供了一種新的策略♿️。
劉明賢教授為論文通訊作者，博士後宋子洋為論文第一作者。法國斯特拉斯堡大學Laurent Ruhlmann教授🙅🏽♂️🏋🏿♂️、課題組李良春教授和甘禮華教授參與了相關研究工作。該研究工作得到了國家自然科學基金項目和上海市自然科學基金項目的支持。
課題組近期在超結構材料設計及其儲能研究方面取得了系列進展👩🏼🦳：首次發現多電子硝基具有高度的嗜鋅活性，設計了二硝基苯@碳超結構作為鋅-有機電池正極材料，揭示了硝基芳烴正極中陰離子共嵌插電荷存儲機製，實現水系鋅-有機電池高容量和長壽命協同輸出🚴🏿♀️🧘，相關成果“Anionic Co‐insertion Charge Storage in Dinitrobenzene Cathodes for High‐Performance Aqueous Zinc‐Organic Batteries”發表於《德國應用化學》；提出一種基於Lewis酸-堿對相互作用自組裝策略設計碳超結構材料，促進吡啶氮/羰基氧嗜鋅位點的高效利用和低反應能壘的快速離子遷移👑，電荷載體Zn2+/SO3CF3−交替吸附於吡啶/羰基位點誘導電極界面贗電容響應，賦予水系鋅離子混合電容器超快速充電能力、高能量密度和長循環壽命（400,000次），相關成果“Lewis Pair Interaction Self‐Assembly of Carbon Superstructures Harvesting High‐Energy and Ultralong-Life Zinc-Ion Storage”發表於《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater.）封面論文；從材料微結構設計與表面工程角度出發，提出了一種自組裝策略設計層狀碳超結構材料🐫，實現了親質子活性位點的高效利用和低擴散能壘的快速離子遷移，賦予碳基超級電容器超穩定和快速質子耦合電荷存儲動力學和高達1,000,000次充放電循環，相關成果“Self-Assembled Carbon Superstructures Achieving Ultra-Stable and Fast Proton-Coupled Charge Storage Kinetics”發表於《先進材料》（Adv. Mater.）💅🏽。
論文鏈接🎄：https://doi.org/10.1002/ange.202219136
