▲第一作者：Yuan Chen, Jianyao Li, Qin Zhu
论文DOI：10.1002/anie.202116289
（1） 结合醌和吡嗪环官能团构建了一种大π-共轭有机化合物HATNQ；（2） 分子平面内的氢键（C-H···O）以及平面外的π-π相互作用使得HATNQ具有二维层状超分子结构，从而增强了电荷转移、不溶性和离子的快速传输。（3） HATNQ电极具有超高容量，创造了ZIB水溶液中有机正极容量的新纪录。水系锌离子电池（ZIBs）具有安全性好、成本低以及容量高等优势，是下一代储能技术的发展方向之一。然而，目前对锌离子的研究面临着循环稳定性差和容量不理想的挑战，主要是受限于缺乏合适的电极材料。在过去的几十年里，新兴的有机电极材料具有结构多样性和丰富的氧化还原活性基团等显著优势，可以设计成高容量的有机电极材料。更重要的是，有机电极对水电解质具有特别合适的氧化还原电位，可以通过分子设计方便地调节。此外，分子间的弱相互作用可以使大尺寸或多价离子快速扩散和储存，这使得有机材料对ZIBs更有意义。然而，绝大部分的小分子电极材料在充放电过程中往往会溶于电解质中，从而导致活性材料的穿梭和电池容量的快速衰减。课题组长期以来关注共轭有机高分子材料及其在有机电池中的应用研究，已在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed.，Chem，Energy Environ. Sci.等杂志发表多篇高水平论文。这些经验为本工作的开展提供了良好的基础。基于此，我们报道了一种基于氢键和π-π相互作用的二维有机超分子正极HATNQ，该化合物创造了水系锌离子电池中有机正极容量的新记录。以环己六酮和2,3-二氨基-1,4-萘醌(DANQ)为原料，通过溶剂热缩合一步反应合成了HATNQ。HATNQ是由多个醌式基团和吡嗪环组成的大π共轭化合物，其丰富的活性中心赋予其具有超高的理论容量（515 mAh g-1）。由于HATAQ分子丰富的弱氢键施主基团(C-H)和强氢键受体基团(C=O)的存在，使得HATNQ可以通过平面内相邻分子间的多个氢键(C-H···O)形成独特的二维平面超分子结构。同时，平面外相邻的HATNQ分子也可以通过π-π相互作用紧密地堆积。这种独特的排列方式，对HATAQ的稳定性以及不溶性起着重要作用。
电化学结果表明，与其类似物HATN相比，HATNQ电极表现出超高的容量（在电流密度为0.2 A g-1下达到482.5 mAh g-1）以及优异循环性能（5 A g-1下具有超过10000次循环），优于已报道的有机电极材料，创造了水系锌离子电池中有机正极容量的新纪录。
一系列表征证明了HATNQ电极材料中C=N和C=O官能团是储能活性位点。材料的Zn2+和质子共存储机理也被各种非原位表征以及电化学实验所证实。根据HATNQ和HATN电极在水电解质和非水电解质中的容量贡献，我们对其平台上可能的反应方程也进行了评估。两种电极在各自放电阶段均存在Zn2+和H+的共存储现象。由于HATNQ电极的O···Zn··N螯合配位促进了锌离子的存储。结果表明，每个HATNQ分子在电化学反应过程中可存储大约2.5个Zn2+和7个H+(对应容量贡献约为1:1.4)，这与元素分析的结果一致，其中Zn2+/H+的比值约为1:1.5。另一方面，每个HATN分子中Zn2+的存储量可能小于0.5，这也进一步说明了HATNQ更容易与Zn2+结合。
此外，理论计算也进一步评估了HATNQ和HATN对锌离子的结合能力。与其类似物HATN相比，HATNQ材料中的O···Zn···N配位比N···Zn···N更有利，同时二维超分子结构也增强了Zn2+/H+的共存储能力以及提高了Zn2+对H+的存储竞争力。
以醌和吡嗪环为多活性中心，我们合成了一种大π共轭有机化合物HATNQ。羰基和C=N基团使HATNQ具有二维层状超分子结构，平面内相邻分子间的多个氢键与平面外π-π相互作用，不仅稳固了材料的结构，也增强的电荷的快速转移。电化学结果表明，HATNQ电极表现出优异的电化学性能。这不仅为未来设计高性能的水系锌离子电池有机电极材料提供了新思路，也为水系锌离子电池在大规模储能中的潜在应用铺平了道路。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116289王成亮，华中科技大学光学与电子信息学院，武汉光电国家研究中心，教授，博士生导师。2005年本科毕业于南京大学，2010年博士毕业于中科院化学所。一直从事于有机高分子材料及其在电子学和能源存储中的应用研究。到目前为止，已在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.等国际学术期刊上发表SCI论文80余篇，1篇被评为中国百篇最具影响国际学术论文，多篇被评为SCI热点论文和高被引论文，单篇最高被引次数超过2500次。受邀在三本专著中撰写重要章节，包括两本中文版专著；一本英文版专著。
2016年通过国家海外高层次人才引进，加入华中科技大学，组建独立课题组以来，已发表多篇高水平论文，包括第一/通讯作者论文Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Chem（2篇），Adv. Mater.，Angew. Chem.（5篇），CCS Chem，EnergyChem，Energy Environ. Sci.，Energy Storage Mater.，Energy Environ. Mater.等。入选《Energy Reviews》编委、中国卓越期刊《Chinese Chemical Letters》、《SmartMat》的青年编委，担任中国卓越期刊《Frontiers of Optoelectronics》“有机光电子学”特辑的客座编辑。入选2020年度Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators，2020年度RSC高被引作者。指导的研究生已多人次获得三好研究生、优秀毕业生、优秀研究生干部、国家奖学金、光电学子、知行奖学金以及其他知名企业冠名奖学金等奖项。课题组常年招聘博士后，欢迎有兴趣相关方向的学生加入我们。http://flexbatt.oei.hust.edu.cn/index.htm
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