2024年3月，重庆大学前沿院跨尺度多孔材料研究中心研究人员通过对吩噁嗪（PNO）这类共轭芳杂环化合物的氧化还原化学的全面研究，揭示了吩噁嗪独特的可逆双电子氧化还原过程。这一发现证实了吩噁嗪在水系锌离子电池中实现多对电子储存的潜力。制备的PNO电极获得了215mAh g-1的高比容量和优异的循环性能（3500圈，100%的容量保持率）。该项研究工作为开发基于多电子转移的p型有机电极材料提供了新观点。相关工作以“Unveiling Phenoxazine's Unique Reversible Two-Electron Transfer Process and Stable Redox Intermediates for High-Performance Aqueous Zinc-ion Batteries”为题在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表。重庆大学为论文的第一通讯单位，我校弘深青年教师宁皎邑为第一作者和通讯作者，我校姚克欣教授和北京大学孟鸿教授为该文章的共同通讯作者。
可充电水系锌离子电池（ZIBs）因其理论容量高（820mAh·g-1）、资源丰富和安全性等优势，在下一代大规模储能领域展现巨大的应用潜力。正极材料被认为是限制ZIBs能量密度和循环寿命的主要因素，因此，研究人员们一直致力于开发高性能的ZIBs正极材料。其中，有机分子由于其结构设计的灵活性、环境兼容性和可持续性，近年来受到越来越多的关注。然而，目前有机电极材料领域对于p型材料的开发显著落后于n型材料，主要限制因素在于其比容量较低，这是由于p型分子中有限的电子转移数以及较大的分子结构所决定的。
为了克服这一挑战，促进多电子转移对提高p型材料的电荷储存能力至关重要。鉴于此，作者通过对吩噁嗪这类典型的p型材料的氧化还原化学的系统研究，发现了一个新现象，即吩噁嗪在水系电解液中可以发生可逆的两电子氧化还原过程，显著区别与其在非水系有机电解液中，非可逆的第二对电子氧化过程。一系列的循环伏安法（CV）测试和密度泛函理论（DFT）计算证明，在水系Zn(OTf)2电解液中，第二个氧化过程产生的二价阳离子PNO2+可以被稳定。这一发现证实了吩噁嗪在水系锌离子电池中实现多对电子储存的潜力。
同时，通过对电子结构及芳香性研究发现，PNO分子在氧化后具有增强的芳香性，有助于其获得优异的结构稳定性。得益于这些协同优势，PNO电极取得了215mAh g-1的高比容量，以及令人印象深刻的长循环稳定性。这项研究工作为基于多电子转移的p型活性中心的高性能有机电极材料开发奠定了良好的基础。
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202319796
作者信息
宁皎邑博士：重庆大学弘深青年教师。2016年本科毕业于中南大学，2022年博士毕业于北京大学。同年加入重庆大学前沿交叉学科研究院/化学化工学院，主要从事用于新型有机共轭材料的设计开发及其应用于水系锌离子电池等电化学储能体系的研究。相关研究成果以第一/通讯作者身份发表在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ChemsusChem, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊。
姚克欣研究员：2019年以“重庆大学百人计划”加入重庆大学前沿交叉学科研究院/化学化工学院，任研究员，博士生导师。1996-2003年本硕连读毕业于天津大学化工学院，2010年于新加坡国立大学化学生物分子工程系获得博士学位。2010-2019年在沙特阿卜杜拉国王科技大学任博士后及先进膜孔材料研究中心研究员。至今已发表学术论文共计30余篇，包括Nat. Mater、J Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed, Chem. Mater.,Energy & Environmental Science等，总引用超5000余次。
孟鸿教授：四川大学化学系理学学士(1988)，北京大学化学与分子工程学院有机化学硕士学位(1995)，新加坡国立大学化学系理学高分子材料硕士学位(1997)，美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)化学与生物化学系博士学位(2002)。孟鸿教授二十多年来一直从事有机共轭材料设计合成，有机光电器件制备和集成应用研发工作。广东省珠江人才计划“领军人才”，深圳市“海外高层次人才A类”，深圳市“政府特殊津贴”。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy & Environmental Science等国际著名学术刊物上发表论文150余篇，申请120余项发明专利(授权40余项)，申请国际发明专利45项(授权32项)。被引用12000余次，H因子58，入选美国斯坦福发布的全球前2%顶尖科学家榜单。
