由于其绿色和可再生的特性，具有定制功能团的电活性有机材料对水系Zn-有机电池具有重要意义。然而，许多有机材料，特别是小的有机分子，受到低电子传导性和在水系电解液中高溶解度的挑战。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士、韩翠平教授通过酸催化缩合反应设计并合成了一种全新的N-杂芳烃材料--六氮杂萘-酚醛（HATN-PNZ），并证明了其可作为锌离子电池的超高性能正极。与酚醛单体相比，作者发现N-杂芳烃的π共轭结构可以有效地增加电子脱域，从而提高其导电性。此外，扩大的芳香族结构明显抑制了其在水系电解液中的溶解，从而实现了高结构稳定性。结果正如预期的那样，HATN-PNZ正极在5 A g-1时具有257 mAh g-1的大可逆容量，在100 A g-1时具有144 mAh g-1的超高倍率能力，在50 A g-1时具有45,000次循环的极长寿命。此外，电荷存储机制研究表明，Zn2+和H+阳离子与菲罗啉基团的协同配合，首先是Zn2+，然后是H+，并伴随着氢氧化锌水合物的可逆形成。总体而言，这项工作为优质有机材料提供了一个分子工程策略，并为理解水系锌-有机电池的电荷存储行为提供了新的见解。

文章要点：

1. 具体而言，这项工作通过六环己烷（C6O6）和酚嗪-2,3-二胺（DAP）的缩合，合成了一个π-共轭的N-杂芳族六氮杂萘（HATN-PNZ）分子，以用于高倍率水系锌-有机电池。

2. 由于吩嗪和芳香环的共轭伸长，具有较大电荷离域面积的HATN-PNZ可以有效地在分子内传递电子，并导致快速的动力学反应。此外，由于HATN-PNZ具有扩展的芳香族分子结构，可以有效地抑制溶解现象。

3. 因此，HATN-PNZ正极的倍率容量和循环性能同时得到改善，其优于目前的有机基ZIBs电极。

4. 反应动力学分析显示了氧化还原赝电容的主导行为和Zn2+、H+共存的电荷储存机制，即先有Zn2+后有H+。这些结果表明，小有机分子的共轭伸长方法是改善水系Zn-有机电池的循环性和倍率性能的有效途径。

图1 HATN-PNZ材料的结构表征

图2 HATN-PNZ正极的电化学性能

图3 HATN-PNZ正极的反应动力学

图4 HATN-PNZ正极的电荷储存机制研究

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207115

来源：高分子科学前沿

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