全栈 007
【研究背景】
水系铵离子电池（AAIBs）因其本征安全性和环境友好性而成为新兴可持续储能系统，有机电极材料因其结构多样性、环境友好性和丰富的氧化还原活性基团，在负极材料领域表现出巨大潜力，然而其实际应用受到比容量低和循环稳定性差的限制。
【工作简介】
鉴于此，兰州大学杜鹏程、赵文高、南开大学龙官奎团队合作，报道了2,8,14-三硝基二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪（HATNTN）分子作为铵离子电池负极材料，揭示了硝基与芳香骨架通过两步氧化协同还原机制实现了稳定的NH4+配位，以及通过氢键超分子网络增强抗溶解性，实现了水系铵离子电池负极的高比容量和长循环寿命。该成果以“Nitrogen-Induced Hydrogen Bonding Supramolecular Network for Ultra-Stable Ammonium Ion Storage”为题在国际顶尖期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表，兰州大学杨绍培、南开大学赵文凯为论文共同第一作者，兰州大学杜鹏程、赵文高，南开大学的龙官奎作为论文共同通讯作者。
【内容表述】
报道了一种硝基功能化π共轭芳香结构化合物—2, 8, 14-三硝基二喹喔啉并[2, 3-a:2', 3'-c]吩嗪（HATNTN），作为增强NH4+存储的主体材料。硝基与芳香骨架的协同集成实现了双重增强：两步氧化还原机制实现稳定的NH4+配位以及氢键超分子网络增强抗溶解性。HATNTN负极在1 A g-1下表现出203.4 mAh g-1的较高容量，在20 A g-1电流密度下实现了30,000次的稳定长循（同类电池迄今报道最佳）。HATNTN//VO300全电池在3 A g-1下30,000次循环后仍保持106.2 mAh g-1的比容量，容量保持率为88.1%，循环寿命超过2500小时。结合原位光谱和密度泛函理论（DFT）模拟，阐明了硝基诱导氢键在稳定NH4+存储界面中的关键作用。该研究为耐用有机负极建立了超分子设计范式，推动高性能AAIBs走向实际应用。
图1. a) HATNTN和HATN的合成示意图，b) HATNTN、HATN和反应物的FT-IR光谱，c) PXRD图谱，d) HATNTN和HATN的XPS全谱。HATNTN的高分辨率XPS光谱：e) C 1s，f) N 1s，和g) O 1s。
图2. a) HATNTN、HATN与TNA的结构式及b) 分子ESP模拟，c) HOMO–LUMO能级及前沿分子轨道图，d) 硝基与e) 吡嗪基的IGM散点图及梯度等值面分布。
图3. HATNTN、HATN和TNA在0.5 M (NH4)2SO4中的电化学性能。a) 5 mV s-1下的CV曲线，b) 1 A g-1下的GCD曲线，c) HATNTN、HATN和TNA的倍率性能，d) HATNTN在不同扫描速率下的CV曲线，e) HATNTN从1到20 A g-1的GCD曲线，f) PO1、PO2、PR1和PR2的b值，g) HATNTN和HATN在20 A g-1下的循环性能。
图4. a) HATNTN在不同电解质中5 mV s-1下的CV曲线，b) HATNTN在不同电解质中1 A g-1下的GCD曲线，c) 倍率性能，d) HATNTN在不同电解质中20 A g-1下的循环稳定性。
图5. a) HATNTN在1 A g-1下的GCD曲线，b- c) 原位拉曼光谱，d) 原位FT-IR光谱。
图6. a) HATNTN//VO300全电池示意图，b) HATNTN和VO300在5 mV s-1下的CV曲线，c) CV曲线，d) GCD曲线，e) 倍率容量，f) Ragone图，g) HATNTN//VO300在3 A g-1下的长循环稳定性。
图7. a) HATNTN//VO300软包电池示意图，b) 测试中的软包电池数码照片，c) 三个软包电池点亮的设备数码照片，d) GCD曲线，e) 倍率容量和f) 软包电池在3 A g-1下的长循环稳定性。
核心结论
该研究开创性地将硝基功能化化合物集成到AAIBs中，建立了稳定的氢键超分子网络结构。合理设计的有机负极材料HATNTN协同硝基与π共轭芳香骨架建立了稳健的氢键网络，解决了有机电极容量衰减和结构不稳定的关键挑战。优化的HATNTN负极表现出卓越的电化学性能，在1 A g-1下实现了203.4 mAh g-1的高可逆容量，在20 A g-1下达到了超过30,000次循环的优异循环稳定性。此外，HATNTN//VO300全电池展示了优异的循环性能（在3 A g-1下30,000次循环后容量保持率为88.1% &循环寿命超过2500小时）和卓越的能量和功率密度（在787.1 W kg-1功率密度下能量密度为121.7 Wh kg-1），为AAIBs系统建立了新的性能基准。系列表征和DFT计算表明，硝基在稳定超分子框架、增强结构完整性和电荷转移动力学方面至关重要。该研究不仅推进了抗溶解有机电极的设计，而且建立了适用于下一代AAIBs的超分子工程范式。
【文献详情】
Shaopei Yang, Wenkai Zhao, Yongqi Mi, Baiting Li, Yuman Dong, Kefeng Xie, Wengao Zhao*, Guankui Long*, Pengcheng Du*. Nitrogen-Induced Hydrogen Bonding Supramolecular Network for Ultra-Stable Ammonium Ion Storage. Angewandte Chemie International Edition, 2025, DOI: 10.1002/ange.202511826
【作者简介】
杜鹏程，副教授，硕士生导师，兰州大学化学化工学院高分子科学与工程研究所。
主要研究领域：有机功能材料设计合成及其在能源存储/转换领域的应用研究。
官网主页：
https://chem.lzu.edu.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=16&id=1411
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赵文高，兰州大学化学化工学院教授、高比能电池研究组课题组长，唐瑜教授大团队成员。主持教育部海外高层次引才专项（海优B）和国家自然科学基金面上项目等基金，长期致力于（单晶）高镍层状正极材料的开发、改性及其在锂离子/固态电池的化学-结构-力学构效关系。迄今已发表科技论文66篇，总引用8000余次（Web of Science），H指数33；以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.（4篇）、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.等高水平期刊发表论文28篇，多项成果入选ESI高被引论文、VIP论文、热点论文和封面论文，并担任Batteries客座编辑及Chin. Chem. Lett., Mater. Future., Carbon Neutral. 等期刊青年编委。
来源：能源学人