南开牛志强Angew:基于中性温和电解液的高性能对称全有机质子电池

华算科技 2024-03-26 10:37:52

全有机质子电池因其可持续性和出色的倍率性能而受到广泛关注。通常,由于高 H+嵌入能垒,必须采用强酸(如H2SO4)作为电解液为全有机质子电池提供H+。到目前为止,在中性温和电解液中设计全有机质子电池仍然是一个挑战。

在此,南开大学牛志强研究员等人通过原位电聚合工艺设计并合成了一种π共轭聚合物,即聚(2, 9-二氢喹喔啉[2, 3-b]吩嗪) (PO) 分子。这样的PO分子显示出链状聚合结构,在其重复单元中具有两对C=N基团。值得注意的是,由于π电子离域效应,PO分子中相邻C=N基团的化学环境不同,这导致了两步氧化还原反应。此外,由于PO与其还原产物之间的大LUMO能隙,两个氧化还原反应显示出相当大的电压差。此外,PO分子在ZnSO4 电解液中经历可逆的H+嵌入/脱除行为,因为其π共轭结构中的C=N基团具有通过配位反应螯合质子的能力。

图1. PO在ZnSO4电解液中的储能机制

基于以上研究,作者在中性的ZnSO4 电解液中开发了对称的全有机质子电池。由于H+嵌入/脱除的快速反应动力学,这种全有机质子电池不仅在 0.1 A g-1的电流密度下表现出147 mAh g-1的高可逆容量,而且还表现出优异的倍率性能(90 mAh g-1@ 2 A g-1)和稳定的循环性能,在1 A g-1下循环500次后容量保持率高达94%。这种中性的全有机质子电池将拓宽质子电池化学的视野,也为开发可持续、高性能、高安全性的质子电池铺平了道路。

图2. 全有机质子电池在放电/充电过程中的电化学动力学

A Symmetric All-Organic Proton Battery in Mild Electrolyte, Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202115180

0 阅读:0

华算科技

简介:科研资讯、学术干货、资料教程!