1、研究背景
近年来备受关注的有机小分子功能材料，因其资源丰富性、结构多样性和功能可调性等优点，被视为新型水系锌-有机电池极具竞争力的电极材料。得益于氮原子上孤对电子，含C=N基团的亚胺小分子通常具有高氧化还原活性、优异电化学可逆性以及快速反应动力学。然而，亚胺小分子活性位点不足和分子轨道能间隙较大，限制了正极容量和电子传输动力学，且亚胺小分子在水系电解液中较高的溶解度往往会引发电池循环过程中不可逆的容量损失。将吸电子基团（如−COOH）引入到亚胺小分子结构中，对其电子结构和电化学活性进行调控，有望促进其电子离域和氧化还原动力学，进一步提升电池性能。
2、文章概述
最近，同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授课题组设计了一种富含羧基的新型氮杂环有机正极材料，4, 4', 4'', 4'''-(吡嗪并[2, 3-g]喹喔啉-2, 3, 7, 8-四基)四苯甲酸（TBA），揭示了羧基调控的氮杂环有机正极中羧基/亚胺位点与高动力学的NH4+/H+电荷载体优先配位的氢键化学反应，解决了亚胺小分子低容量和易溶解的问题，构建了快速和稳定的水系锌-有机电池。
3、图文导读
图1. TBA分子的结构分析。（a）分子结构;（b）ESP模拟;（c）LUMO-HOMO能级;（d）光学能带间隙;（e）电导率;（f）两种有机物中氧化还原活性位点的电荷总和。
图2. Zn||TBA电池的电化学性能研究。（a）GCD曲线;（b）倍率性能;（c）循环性能;（d）CV曲线;（e）b值;（f）电容和扩散控制过程的贡献率。
图3. TBA正极在不同充放电状态下的结构演变。（a）GCD曲线;（b）异位FT-IR光谱;（c，d）高分辨率O 1s和C 1s XPS光谱;（e）Ea值;（f）TBA正极三步八电子配位的氧化还原反应示意图。
图4.不同电化学状态下TBA氧化还原反应的理论计算。（a）优化的TBA分子结构;（b）π-电子局部轨道定位图（LOL-π）;（c）TBA在不同电化学状态下的结构变化和ESP分布;（d）电荷密度差等值面。
4、结论
团队设计了一种富含羧基的新型氮杂环有机正极材料，解决了亚胺小分子低容量和易溶解的问题，构建了快速和稳定的水系锌-有机电池。该项研究工作为设计含有新型氧化还原基团的多电子活性有机正极材料以构建先进的水系锌-有机电池开辟了新的视野。
该项目研究获得国家自然科学基金（22272118, 22172111, 21905207和22309134）、上海市科学技术委员会（22ZR1464100, 20ZR1460300和19DZ2271500）等项目的资助，谨此感谢。
论文信息：
Fast and Stable NH4+/H+ Co-Coordinated Carboxyl-Rich N-Heterocyclic Cathode for High-Performance Zinc-Organic Batteries
Yehui Zhang, Qi Huang, Ziyang Song, Ling Miao, Yaokang Lv, Lihua Gan, Mingxian Liu*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202416415
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期刊简介
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