中科大「国家高层次人才」陈维/深圳大学杨金龙ACS Nano | 原位转化有机氧化还原分子用于-70°C工作的氢电池!
- 2026-04-06 08:45:36
使用有机材料和水性质子电解液的可充电氢电池是用于大规模储能系统的可持续且安全的候选方案。1,2-萘醌是一种有前景的有机分子，其通过C=O和C-OH基团之间摄取/移除H⁺实现高度可逆的异质烯醇化反应，具有339 mAh g⁻¹的高理论容量。然而，1,2-萘醌的主流合成路线局限于氧化1-和2-萘酚前体，这涉及昂贵的催化剂和有毒的有机溶剂。
在此，中国科学技术大学陈维，深圳大学杨金龙等人提出了一种绿色、经济的原位转化策略，以电化学方式从2-硝基-1-萘酚前体合成1,2-萘醌，用于构建高性能氢电池。通过操作同步辐射傅里叶变换红外表征确认了从2N1N前体到1,2-NQ的结构演变。
结果表明，NQ-H₂电池在0.2 A g⁻¹下提供了323.4 mAh g⁻¹的高比容量，接近1,2-NQ的理论容量，并在10 A g⁻¹下实现了10000次稳定的循环寿命。它还在低至-70°C的低温下表现出155.9 mAh g⁻¹的容量。此外，作者组装了一个扩展容量为375.4 mAh、具有6.3 mAh cm⁻²高面容量的NQ-H₂软包电池，以展示其实际应用潜力。
图1. 机制研究
总之，该工作开发了一种绿色经济的原位转化策略，以电化学方式高效地将2N1N前体转化为目标1,2-NQ活性材料，从而成功避免了昂贵催化剂和有毒有机溶剂的使用。因此，NQ-H₂电池在0.2 A g⁻¹下表现出323.4 mAh g⁻¹的高比容量，在50 A g⁻¹下仍具有203.2 mAh g⁻¹的良好倍率性能。
NQ-H₂电池的循环性能通过10000次连续恒电流充放电循环后仍保持96%的容量、平均库仑效率为98.6%得以证明。此外，该电池系统可在低至-70°C的温度下稳定运行，并提供155.9 mAh g⁻¹的良好容量。
为了展示其实际应用潜力，作者制造了具有约375.4 mAh的扩展电池容量和约6.3 mAh cm⁻²大面容量的NQ-H₂软包电池，该电池可稳定循环超过500次，容量衰减仅为约5%。优异的倍率性能和低温性能可归因于负极发生的HER/HOR反应和正极发生的H⁺配位/移除反应具有快速的反应动力学。
这项工作提出了一种可行的策略，用于构建具有高可达容量、良好循环稳定性和稳定低温性能的新型氢电池化学。
图2. 电池性能
In Situ Transformed Organic Redox Molecules for a Hydrogen Battery Operated at −70 °C, ACS Nano 2026 DOI: 10.1021/acsnano.5c12680
杨金龙 深圳大学副教授/特聘研究员，以通讯和第一作者发表SCI论文30余篇，包括PNAS(1篇),Nat. Commun.(2篇),Adv. Mater.(3篇),Matter(1篇),Angewandte(3篇),JACS(1篇),Adv. Energy Mater.(3篇),Nano Lett.(3篇)等，影响因子>10的论文20余篇，SCI期刊引用超过5500次，H-index为41。
陈维 中国科学技术大学应用化学系 特任教授，博士生导师。2008年本科毕业于北京科技大学材料物理系。2013年在阿卜杜拉国王科技大学材料科学与工程系获得博士学位，导师为Husam Alshareef教授。其后在美国斯坦福大学从事博士后研究，导师为崔屹教授，主要工作为开发廉价氢气电池和催化剂应用于大规模储能。已在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano等国际期刊上发表论文40余篇，总被引4000余次，H因子30。
