Advanced Science：双吩嗪衍生物负极的对称性设计并用于高电压、长循环寿命质子电池

双吩嗪衍生物负极的对称性设计并用于高电压、长循环寿命质子电池

第一作者：王财兴

通讯作者：王艳荣*

单位：扬州大学

水系可充电电池得益于其固有的安全性和高离子电导率等优势受到研究者的青睐。质子作为载流子具有水合离子尺寸较小、扩散动力学较快、及在自然界中广泛存在等优势，使得质子电池（PrIBs）成为很有潜力的规模化储能体系。截至目前，许多无机及有机材料被用于储氢研究。与传统的无机电极材料相比，有机材料具有资源丰富、结构可设计和氧化还原活性位点丰富等优点。目前，常见的有机材料主要集中在醌类及其衍生物。然而，多数有机物在循环过程中面临结构不稳定或溶解的问题，导致容量衰减较快。此外，有机物的内在氧化还原电势通常较高，导致组装的PrIBs电池电压偏低（<1.0 V）。

近日，扬州大学化学化工学院王艳荣博士等在国际知名期刊Advanced Science上发表题为"Symmetrical Design of Biphenazine Derivative Anode for Proton Ion Batteries with High Voltage and Long-Term Cycle Stability"的研究论文。从分子对称性和溶解度的角度出发，结合分子前沿轨道能级对其氧化还原电位的影响，开发了一种新型的长周期稳定、低氧化还原电位的双吩嗪衍生物[2,2’-双吩嗪]-7,7’-四醇（BPZT）。具体来说，BPZT表现出较低的电位（0.29 V vs. SHE），并且在循环过程中几乎不溶于2 M H₂SO₄电解液。当与MnO2@GF或PbO₂正极配对时，组装的PrIBs分别达到1.07 V或1.44 V的电池电压，并分别在10000及20000个循环后保持90%以上的高容量保持率。此外，这两种类型的全电池均可在10 mgBPZT cm⁻²的高负载下稳定运行，突出了它们在长循环储能应用中的潜力。

图1 基于BPZT负极的氢离子电池全电池示意图。

要点一：低溶解度双吩嗪衍生物负极

基于分子对称性和溶解度的角度，作者利用分子工程合理设计了两种吩嗪衍生物，2,3-二羟基吩嗪（DHP）和具有对称结构的双吩嗪衍生物[2,2’-双吩嗪]-7,7’-四醇（BPZT）作为负极可逆储存质子。通过原位紫外光谱和电化学测试表明，与DHP相比，具有更大尺寸和更对称结构的BPZT在2 M H₂SO₄电解液中可逆储氢过程中几乎不溶解，因此表现出优异的长循环稳定性。

要点二：BPZT储H+性能与机制

BPZT在0.2 A g^-1电流密度下表现出120 mAh g^-1的比容量，大约是理论容量（根据4个C=N键计算）的一半。在1 A g^-1电流密度下循环1000圈后的容量保持率为95%。BPZT在2 M H₂SO₄电解液中表现出较低的氧化还原电势（0.29 V vs. SHE）。实验结果表明，BPZT中的吩嗪核中的C=N基团能够可逆储H⁺，与C-N-H之间发生可逆转换反应。理论计算支持了BPZT分子中C═N基团上对称的双质子和双电子转移途径。

要点三：全电池性能

为了证实BPZT作为存储H⁺的阳极的可行性，将BPZT负极分别与MnO2@GF或PbO₂正极组装了两种类型的水系氢离子电池。MnO2@GF//BPZT和PbO₂//BPZT全电池分别显示出1.07和1.44 V的电池电压，且在10000及20000个循环后均保持90%以上的容量保持率。此外，这两种全电池均可在10 mgBPZT cm^-2的高负载量下稳定运行。这项工作可能会为其他有机物电极分子结构的设计提供有益的启示。

"Symmetrical Design of Biphenazine Derivative Anode for Proton Ion Batteries with High Voltage and Long-Term Cycle Stability"

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202401314

王艳荣博士简介：2018年9月毕业于南京大学化学化工学院，博士导师是金钟教授、刘杰教授。同年10月加入复旦大学化学系夏永姚教授和王永刚教授课题组从事博士后研究。2020年11月入职扬州大学化学化工学院，被聘为校特聘教授。主要从事新型储能材料的设计开发与研究，以第一作者及通讯作者身份在Advanced Materials, ACS energy letters, ACS nano, Advanced Science, Energy Storage Materials等学术期刊发表多篇研究论文。主持国家自然科学基金青年基金项目1项；主持江苏省高等学校自然科学面上项目1项；主持国家重点实验室开放课题1项；主持横向项目1项。

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