有机材料因其资源可持续性、结构多样性和功能可调性等优点，被视为可充电锌离子电池极具竞争力的正极材料。有机正极材料通过表面活性基团与电荷载体可逆配位实现能量存储，根据活性位点与电荷载体离子的不同结合，有机正极材料一般可分为n型、p型和双极型三类。大多数n型有机材料（如羰基/亚胺/氰基/硝基化合物等）容量高，但其平均电压低（<0.8 V vs. Zn/Zn²⁺）；p型有机材料（如三苯胺衍生物、有机硫聚合物等）通常具有相对较高的平均电压，但其容量低（<150 mAh g⁻¹）。双极型有机材料集成了高容量n型和高电压p型基团的氧化还原反应优势，为高性能锌-有机电池设计开辟了新的途径。然而，双极型有机材料仍存在单元结构活性位点密度低和基团单电子反应等问题，导致电池能量密度偏低。因此，亟需开发新型多电子双极型高活性有机正极材料，进一步提升电池的储能性能。

同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池。近日，该课题组设计了多电子双极型四硝基卟啉大环有机正极材料，促进了低反应能垒的Zn²⁺/SO₄²⁻相反离子交替配位，揭示了n型硝基和p型仲胺协同氧化还原电荷存储机制，有效解决了当前双极型有机材料存在的问题，构建了高能量密度和长循环寿命的锌-有机电池，相关成果“Multielectron Redox-Bipolar Tetranitroporphyrin Macrocycle Cathode for High-Performance Zinc-Organic Batteries”发表于国际知名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。

课题组研究显示，四硝基卟啉展示出高度共轭结构、强电化学活性、高芳香性和较低能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率。

研究人员通过异位光谱研究，表明硝基/仲胺作为四硝基卟啉的n型和p型电活性中心，分别与Zn²⁺和SO₄²⁻电荷载体反应，引起高度可逆的连续阴/阳离子共配位反应。

活化能计算表明，四硝基卟啉实现了低反应能垒的Zn²⁺/SO₄²⁻相反电荷交替配位过程，有效消除了相同离子间库伦斥力影响，促进了稳定和快速的三步10e⁻氧化还原电荷存储过程。

理论计算表明，四硝基卟啉硝基/仲胺位点与Zn²⁺/SO₄²⁻间存在强相互作用，稳定的三步10e⁻阴/阳离子共配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了电荷存储容量。

四硝基卟啉正极材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（338 mAh g⁻¹@0.2 A g⁻¹）、高平均放电电压（1.08 V）、超高能量密度（365 Wh kg⁻¹）和优异的循环稳定性（50,000次充放电后容量保持率为71.6%）。该工作为拓展多电子双极型硝基芳烃化合物在锌-有机电池的应用提供了新的方向。

刘明贤教授为论文通讯作者，博士后宋子洋为论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202401049