武汉理工徐林AFM: p-π 共轭赋能：萘醌衍生物引领水系质子电池新突破

文章总结

研究背景：开发高效环保的大规模储能电池技术至关重要，水系质子电池（APBs）因质子的优势而受关注，但缺乏兼具高容量和长稳定性的电极材料。有机电极材料虽有资源丰富等优点，醌类化合物却存在高溶解性和低导电性问题，影响电池性能，通过分子结构设计改善其性能成为研究热点 。

研究内容

分子设计与计算模拟：设计四种萘醌衍生物作电极材料，经 SEM、FTIR、Raman、NMR 和 DFT 等分析，证实取代基的 p 电子与萘环 π 电子形成 p-π 共轭结构，能扩展 π 共轭平面、降低分子极性、减小能隙，抑制材料溶解、增强结构稳定性和氧化还原活性。

电化学性能测试：采用三电极体系测试，2Cl-NQ 和 1OH-NQ 的 CV 曲线显示其氧化还原电位差更小，GCD 曲线极化小，倍率性能优异，1800 次循环后容量保持率超 98.6%，远高于 NQ，且 2Cl-NQ 在高载量下仍有良好循环稳定性。

电化学动力学分析：通过 CV、EIS、GITT 等测试分析，发现 2Cl-NQ 和 1OH-NQ 的电容贡献比高、电荷转移电阻小、离子扩散系数大、活化能低，表明 p-π 共轭结构显著提升其导电性和离子传输速率。

全电池性能评估：以 2Cl-NQ 为阴极、PTCDA 为阳极组装全电池，在 0.5-25 A g⁻¹ 下比容量高，能量密度达 124 Wh kg⁻¹，40000 次循环后容量保持率 73.2%，在 - 20 °C 仍有良好性能。

储能机制分析：通过多种表征手段，确定 2Cl-NQ 电极的储能机制是放电时 C═O 与 H 结合形成 C-O-H，充电时 C-O-H 氧化回 C═O，涉及烯醇化 / 去烯醇化反应 。

研究结论：构建 p-π 共轭结构可制备高性能有机电极材料，2Cl-NQ 和 1OH-NQ 展现出高比容量、高容量保持率和优异倍率性能。2Cl-NQ//PTCDA 全电池性能卓越，为有机电极材料设计提供新思路，有望拓展到其他电池体系。

图文简介

分子设计与计算模拟分析

三种醌电极的电化学性能

三种醌电极的电化学动力学分析

2Cl - NQ电极的储能机理分析

论文信息

通讯作者： Lin Xu