近日，重慶大學(xué)前沿院跨尺度多孔材料研究中心研究人員通過對吩噁嗪（PNO）這類共軛芳雜環(huán)化合物的氧化還原化學(xué)的全面研究，揭示了吩噁嗪獨(dú)特的可逆雙電子氧化還原過程。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了吩噁嗪在水系鋅離子電池中實(shí)現(xiàn)多對電子儲存的潛力。制備的PNO電極獲得了215mAh g-1的高比容量和優(yōu)異的循環(huán)性能（3500圈，100 %的容量保持率）。該項(xiàng)研究工作為開發(fā)基于多電子轉(zhuǎn)移的p型有機(jī)電極材料提供了新觀點(diǎn)。相關(guān)工作以“Unveiling Phenoxazine's Unique Reversible Two-Electron Transfer Process and Stable Redox Intermediates for High-Performance Aqueous Zinc-ion Batteries”為題在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表。重慶大學(xué)為論文的第一通訊單位，重慶大學(xué)弘深青年教師寧皎邑為第一作者和通訊作者，重慶大學(xué)姚克欣教授和北京大學(xué)孟鴻教授為該文章的共同通訊作者。

可充電水系鋅離子電池（ZIBs）因其理論容量高（820mAh·g-1）、資源豐富和安全性等優(yōu)勢，在下一代大規(guī)模儲能領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。正極材料被認(rèn)為是限制ZIBs能量密度和循環(huán)壽命的主要因素，因此，研究人員們一直致力于開發(fā)高性能的ZIBs正極材料。其中，有機(jī)分子由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性、環(huán)境兼容性和可持續(xù)性，近年來受到越來越多的關(guān)注。然而，目前有機(jī)電極材料領(lǐng)域?qū)τ趐型材料的開發(fā)顯著落后于n型材料，主要限制因素在于其比容量較低，這是由于p型分子中有限的電子轉(zhuǎn)移數(shù)以及較大的分子結(jié)構(gòu)所決定的。

為了克服這一挑戰(zhàn)，促進(jìn)多電子轉(zhuǎn)移對提高p型材料的電荷儲存能力至關(guān)重要。鑒于此，作者通過對吩噁嗪這類典型的p型材料的氧化還原化學(xué)的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了一個新現(xiàn)象，即吩噁嗪在水系電解液中可以發(fā)生可逆的兩電子氧化還原過程，顯著區(qū)別與其在非水系有機(jī)電解液中，非可逆的第二對電子氧化過程。一系列的循環(huán)伏安法（CV）測試和密度泛函理論（DFT）計(jì)算證明，在水系Zn(OTf)2電解液中，第二個氧化過程產(chǎn)生的二價(jià)陽離子PNO2+可以被穩(wěn)定。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了吩噁嗪在水系鋅離子電池中實(shí)現(xiàn)多對電子儲存的潛力。

同時(shí)，通過對電子結(jié)構(gòu)及芳香性研究發(fā)現(xiàn)，PNO分子在氧化后具有增強(qiáng)的芳香性，有助于其獲得優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。得益于這些協(xié)同優(yōu)勢，PNO電極取得了215mAh g-1的高比容量，以及令人印象深刻的長循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究工作為基于多電子轉(zhuǎn)移的p型活性中心的高性能有機(jī)電極材料開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202319796