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全有機質子電池因其可持續性和出色的倍率性能而受到廣泛關注。通常，由于高 H⁺嵌入能壘，必須采用強酸（如H₂SO₄）作為電解液為全有機質子電池提供H⁺。到目前為止，在中性溫和電解液中設計全有機質子電池仍然是一個挑戰。

在此，南開大學牛志強研究員等人通過原位電聚合工藝設計并合成了一種π共軛聚合物，即聚(2, 9-二氫喹喔啉[2, 3-b]吩嗪) (PO) 分子。這樣的PO分子顯示出鏈狀聚合結構，在其重復單元中具有兩對C=N基團。值得注意的是，由于π電子離域效應，PO分子中相鄰C=N基團的化學環境不同，這導致了兩步氧化還原反應。此外，由于PO與其還原產物之間的大LUMO能隙，兩個氧化還原反應顯示出相當大的電壓差。此外，PO分子在ZnSO_4?電解液中經歷可逆的H⁺嵌入/脫除行為，因為其π共軛結構中的C=N基團具有通過配位反應螯合質子的能力。

圖1. PO在ZnSO₄電解液中的儲能機制

基于以上研究，作者在中性的ZnSO_4?電解液中開發了對稱的全有機質子電池。由于H⁺嵌入/脫除的快速反應動力學，這種全有機質子電池不僅在 0.1 A g^-1的電流密度下表現出147 mAh g^-1的高可逆容量，而且還表現出優異的倍率性能（90 mAh g^-1@ 2 A g^-1）和穩定的循環性能，在1 A g^-1下循環500次后容量保持率高達94%。這種中性的全有機質子電池將拓寬質子電池化學的視野，也為開發可持續、高性能、高安全性的質子電池鋪平了道路。

圖2. 全有機質子電池在放電/充電過程中的電化學動力學

A Symmetric All-Organic Proton Battery in Mild Electrolyte,?Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202115180

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南開牛志強Angew: 基于中性溫和電解液的高性能對稱全有機質子電池

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