东北大学孙宏滨教授、上海理工大学王云晓特聘教授，复旦大学赖伟鸿研究员Angew：螺旋结构的聚正极用于构造超稳定水系锌有机电池体系

第一作者：牛素言

通讯作者：王云晓，孙宏滨，赖伟鸿*

单位：东北大学，上海理工大学，复旦大学

锌金属作为阳极具有高比容量、良好的电位以及高安全性、低成本和可回收性等优势，是光伏和风力发电系统中能量调节的有前景候选材料。但开发具有长循环寿命、高倍率性能和低成本的阴极材料仍然是水系锌离子电池（AZIBs）商业化的主要挑战。有机电极材料（OEMs）相对于无机材料具有更高的元素丰度、可再生性、分子设计灵活性、可控合成和改进了的循环稳定性等优势。吡嗪基化合物因其平面共轭框架，提供高稳定性、长循环寿命、易于合成和成本效益等优点，被认为是AZIBs阴极材料的理想选择。但许多材料（包括吡嗪衍生物）在电解液中易溶解，导致容量衰减和较差的循环性能。解决这些问题的方法包括小分子的聚合、扩展π共轭框架的构建以及在导电碳上的固定等，但这些方法往往牺牲了氧化还原活性位点的可及性和容量。聚合物材料提供了一个平衡这些因素的灵活平台。柔性聚合物骨架可以在循环过程中适应体积变化，而合理的分子设计可以调节π-π堆叠，以优化结构稳定性和活性位点的暴露。

近日，来自东北大学孙宏滨教授、上海理工大学王云晓特聘教授与复旦大学赖伟鸿研究员合作，在国际知名期刊上Angewandte Chemie International Edition (1区top，IF：16.9)上发表题为“Polymeric Diaminophenazine with Spiral Architecture as Cathode Materials for Ultra-Stable Aqueous Zinc-Organic Batteries”的研究论文。在本研究中，p-DAP由廉价的邻苯二胺两步合成，整合了饱和的脂肪环（柔性）和吡嗪（刚性）基团，形成了独特的螺旋结构，以稳定层间距和促进离子传输。该聚合物在0.2 A/g时氧化还原活性中心利用率接近95%，在10 A/g时提供145.2 mAh/g，在13.69万次循环中容量保持率为78.9%。值得注意的是，它在-40℃下循环3550次后容量保持率为97.7%。实验和理论研究揭示了质子为主的电荷存储机制。这项工作为设计用于高性能AZIB的耐久有机电极提供了一种很有前途的策略。

p-DAP 由邻苯二胺经一步氧化后热聚合获得，反应遵循迈克尔加成机制，形成交替排列的脂肪族、苯基和吡嗪环结构。这一构筑方式与先前报道的脱氨路径形成鲜明对比，突显了独特的反应机理与产物骨架特征。分子动力学模拟与冷冻电镜结果进一步揭示，p-DAP 具有交替分布的刚性–柔性螺旋结构，该结构不仅有助于维持稳定的层间距，还能有效促进离子传输。同时，其独特的扭曲分子构型赋予了较高的活性位点利用率与快速的电化学反应动力学。

本研究通过原位/非原位多尺度表征与理论计算揭示了吡嗪环活性单元独特的质子储能机理：其还原态具有远高于水的 pKₐ，表现出强碱性而难以与 Zn²⁺ 配位，从而证实了质子主导的能量存储过程。同时，放电电极表面与内部原位生成的 Zn₄(OH)₆·4nH₂O 物种与活性材料紧密结合，构筑出稳定的阴极电解质相间 (CEI)，有效抑制副反应并提升界面稳定性。

p-DAP//Zn电池在1 A/g下实现了201.6 mAh/g 的初始容量，并在7020次循环后仍保持90.38% 的优异容量保持率；在10 A/g且无需更换隔膜的情况下，经过136 900次循环（144.9天）后，仍能保持102.5 mAh/g的容量，对应78.9% 的保持率；使用10 m ZnCl2防冻电解质，在-40℃下，1 A/g循环3550次后仍保持147.8 mAh/g 的稳定容量，容量保持率高达97.7%。

Polymeric Diaminophenazine with Spiral Architecture as Cathode Materials for Ultra-Stable queous inc-Organic Batteries

王云晓教授简介：现为上海理工大学特聘教授；于 2015 年在澳大利亚伍伦贡大学获得博士学位，2016 年获得澳大利亚研究理事会 (Australian Research Council)优秀青年基金，2017年成立独立研究小组，主要研究方向包括新型电池体系 (室温钠硫电池、锂硫电池、钾硫电池、锂离子电池、钠离子电池、钠空气电池、锂空气电池、锂二氧化碳电池等) 、原子级材料的合成和电催化、以及能量储存与转换中电化学反应的机理探究。 王云晓博士累计在国际学术期刊上共发表论文110余篇，总引用次数10000余次。发表第一作者(含共一)论文19篇，通讯作者(含共同通讯)论文52篇，包括Nat. Chem.， Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.， Angew. Chem. Int. Ed.， Chem. Soc. Rev.，Adv. Energy Mater.， Adv. Funct. Mater.，Chem， ACS Nano， Nano Lett.等。受邀担任Lab Materials期刊副主编、EcoMat和General Chemistry青年编委、Frontiers in Chemistry和Frontiers in Energy Research客座编辑。

孙宏滨教授简介： 东北大学理学院化学系，教授、博士生导师。研究领域涉猎广泛，包括催化化学、电化学储能、氢能的制/储/用、绿色化学、精细化学品合成工艺、复合纳米材料、水处理、重金属污染治理与资源化利用、科学仪器制造、流动化学等。主持承担国家重点研发计划课题一项、国家自然科学基金面上项目、青年项目各一项，中央高校基本科研基金二项，辽宁省科技厅基金等省部级项目1项，横向项目若干。在Nature Communications, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Small, Nano Res., Chem. Eng. J., J. Catal., Green Chem.等国内外知名期刊发表论文100余篇，授权发明专利多项。

赖伟鸿研究员简介：复旦大学先进材料实验室青年研究员，博士生导师。入选国家高层次人才海外青年项目，上海市高层次人才项目。于2019年7月获澳大利亚伍伦贡大学博士学位，2019年-2022年期间分别于伍伦贡大学和悉尼科技大学进行博士后研究，2022年-2024年于伍伦贡大学担任研究员工作。自2024年3月起，加入复旦大学先进材料实验室。主要从事先进纳米材料合成技术开发，新型高性能、低成本储能器件的机理和应用研究。曾获澳大利亚研究理事会优秀青年学者，国家优秀自费留学生奖，伍伦贡大学优秀博士论文，优秀博士生等称号，并被获评为斯坦福世界前2%科学家。以第一/通讯作者(含共同)发表学术论文30余篇，包括Nat. Chem.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.等，引用6000余次，H指数为45。课题组长期招聘博士后和科研助理，鼓励和欢迎不同专业背景同学报考本课题组博硕士生！

牛素言，东北大学博士研究生。研究方向伟高性能水系锌离子电池有机正极材料的设计与开发。