得益于氮原子上孤对电子，含C=N基团的亚胺小分子通常具有高氧化还原活性、优异电化学可逆性以及快速反应动力学。然而，亚胺小分子活性位点不足和分子轨道能间隙较大，限制了正极容量和电子传输动力学，且亚胺小分子在水系电解液中较高的溶解度往往会引发电池循环过程中不可逆的容量损失。将吸电子基团（如−COOH）引入到亚胺小分子结构中，对其电子结构和电化学活性进行调控，有望促进其电子离域和氧化还原动力学，进一步提升电池性能。

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储能材料研究并应用于新能源电池开发，课题组近期设计了一种富含羧基的新型氮杂环有机正极材料，4, 4', 4'', 4'''-(吡嗪并[2, 3-g]喹喔啉-2, 3, 7, 8-四基)四苯甲酸（TBA），揭示了羧基调控的氮杂环有机正极中羧基/亚胺位点与高动力学的NH₄⁺/H⁺电荷载体优先配位的氢键化学，解决了亚胺小分子低容量和易溶解的问题，构建了快速和稳定的水系锌-有机电池。相关成果以“Fast and Stable NH₄⁺/H⁺ Co-Coordinated Carboxyl-Rich N-Heterocyclic Cathode for High-Performance Zinc-Organic Batteries”为题发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

实验表征和理论计算表明：得益于羧基调控的扩展π-共轭氮杂环芳香结构，TBA具有低能带间隙、高电子导电性和低活性位点电荷总和，有助于提高电子转移效率和电极氧化还原速率，赋予TBA快速氧化还原动力学。

电化学研究表明：TBA用于水系锌-有机电池正极材料时，表现出高比容量（302 mAh g⁻¹@0.5 A g⁻¹）、高倍率性能（151 mAh g⁻¹@20 A g⁻¹）和长循环寿命（20,000次充放电后容量保持率为85.9%）。

异位光谱和分子动力学模拟研究表明：得益于较低的活化能(0.12 vs. 0.29 eV)，羧基/亚胺活性基团能够与高动力学的NH₄⁺/H⁺电荷载体优先配位，克服了Zn²⁺因高去溶剂化能垒而导致的缓慢界面电荷转移，有效降低了电荷传输能垒，实现了稳定快速的三步八电子氧化还原反应。

理论计算验证了TBA中羧基/亚胺位点与NH₄⁺/H⁺间存在强相互作用，稳定的三步8 e⁻ NH₄⁺/H⁺共配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了非金属电荷存储容量。此外，NH₄⁺配位氢键化学作用有效稳定了放电产物，实现了非金属电荷载体快速扩散动力学。这项工作为设计含有新型氧化还原基团的多电子活性有机正极材料以构建先进的水系锌-有机电池开辟了新的视野。

刘明贤教授为论文通讯作者，博士后张叶慧为论文第一作者。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/adfm.202416415