南京大学金钟课题组最新Angew：不对称非平面π共轭修饰天然萘醌助力高稳定水系有机液流电池

第一作者：张蓬勃、温盛、陈勇康

通讯作者：金钟*

单位：南京大学

随着可再生能源的快速发展，构建安全、可扩展且经济高效的储能体系对于缓解能源供需不平衡、提升电网稳定性具有重要意义。在多种储能技术中，水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）凭借原料来源广泛、电化学可调性强及环境友好性等优势，成为实现大规模储能的有力候选体系。近年来，以醌类化合物为代表的有机分子因其可逆多电子反应特性而备受关注。然而，尽管天然萘醌衍生物资源丰富且可持续，其在AORFBs中的应用仍受限于溶解度低及电化学稳定性差等问题。例如，来源广泛的天然指甲花醌（又名劳森酮，2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, 2-HNQ）在碱性条件下易发生Michael加成及酮-烯醇互变异构等副反应，导致容量快速衰减。

为克服上述瓶颈，分子结构调控被认为是提升有机电荷载体性能的关键策略。通过引入共轭取代基、极性官能团或构建非平面结构，可有效调节分子电荷分布、稳定中间态并抑制降解反应，从而实现高稳定性与高能量密度的储能体系。在此背景下，南京大学金钟团队提出了非平面π共轭扩展策略，以天然指甲花醌为前体引入极性苯甲酸基团，构筑出结构不对称的非平面π共轭萘醌分子BANQ。该分子通过非平面π共轭扩展与电荷分布重构，同步提升水溶性、电化学可逆性与长期稳定性。得益于这一分子设计，BANQ在液流电池储能中表现出极低的容量衰减率（0.00018%/cycle）与长期循环稳定性，其稳定性较原始2-HNQ提高了约两个数量级。该研究为开发绿色可持续、高能量密度、长寿命的水系有机液流电池提供了新的分子设计理念。

近日，南京大学金钟教授团队在国际权威期刊 Angewandte Chemie International Edition 上发表了题为 “Structurally Asymmetric Nonplanar π-Conjugated Naphthoquinone Derivatives Modified from Natural Lawsone for High-Stability Aqueous Redox Flow Batteries” 的研究论文。该工作针对天然萘醌类分子在水系有机液流电池（AORFBs）中存在的溶解度低、循环稳定性差等瓶颈问题，提出了非平面π共轭扩展与结构不对称化的分子设计策略。通过在天然指甲花醌（2-HNQ）分子上引入苯甲酸侧基，获得了具有非平面π共轭结构的极性萘醌衍生物BANQ，具有显著提升的水溶性与电化学可逆性。

尽管天然指甲花醌（2-HNQ）具有环境友好性与资源丰富性，但存在水溶性低和循环稳定性差等问题。本工作以天然来源丰富的2-HNQ为研究对象，通过定向分子结构修饰，拓展了以天然分子为原料的结构优化策略。相较于直接使用天然产物，本项工作通过在2-HNQ氧化还原核心中的高活性C-H位点引入苯甲酸取代基，构建出非平面、结构不对称的π共轭萘醌衍生物BANQ。BANQ分子增强的极性与不均匀的电荷分布有效提高了其在碱性条件下的溶解度（1.3 M）与电化学可逆性。

结合原位UV–vis、FTIR、非原位EPR及NMR分析，系统地揭示了BANQ在充放电过程中的结构演变与自由基中间体形成规律。EPR表明在50%荷电状态下生成可逆的BANQ³⁻•自由基；FTIR与UV–vis结果显示C=O与C–O–键的可逆转化维持了优异的电化学可逆性；NMR验证了BANQ长循环后的结构稳定性，显著区别于2-HNQ体系中因酮–烯醇异构而导致的结构降解。得益于分子结构的有效优化与增强的氧化还原可逆性，基于0.5 M BANQ||K₄Fe(CN)₆ 的AORFBs实现了高达25.6 Ah L⁻¹的容量与264 mW cm⁻²的峰值功率密度，容量衰减率仅为0.0043%/圈（0.19%/天），远优于天然2-HNQ体系。

本工作以天然萘醌lawsone为原料，系统揭示了天然产物在水系有机液流电池中因水溶性不足与本征化学稳定性差的根本原因，并通过非平面、不对称π共轭结构的针对性优化，实现了对分子电子结构、反应活性与热力学稳定性的协同调控，从而在保持天然分子可持续性与成本优势的同时，大幅提升了溶解度、电化学可逆性及长期循环稳定性。研究不仅证明了天然分子可通过分子工程转化为高性能储能材料，也建立了以“抑制本征降解路径”为核心的分子设计范式，为后续醌类及其他有机电活性分子的结构优化提供了思路，并为高能量密度、长寿命水系有机液流电池的开发奠定了重要的理论与实践基础。

Structurally Asymmetric Nonplanar π-Conjugated Naphthoquinone Derivatives Modified from Natural Lawsone for High-Stability Aqueous Redox Flow Batteries

金钟，南京大学教授、博导、国家级领军人才，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、南京大学天长新材料与能源技术研发中心主任、绿色能源催化与智能化学工程江苏省高校重点实验室主任。主要研究领域是清洁能源化学及绿色化工技术，已在Nature Chem.等学术期刊发表SCI论文>340篇，他引>26000次，H因子88，连续5年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。荣获了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、中国商业联合会科技创新奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果二等奖、江苏省首届创新争先奖、华为公司火花奖、英国皇家化学会地平线奖等奖励和荣誉。主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部联合基金、江苏省基础研究计划等科研项目。目前担任江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、多个SCI学术期刊编委会成员等学术任职。

金钟课题组网站：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp。