浙江师范大学黄健航教授联合深圳大学龙俊副研究员: 用于质子电池的高负载耐用有机负极材料

在“碳中和”目标的推动下，可再生能源的大规模开发利用已成为全球共识，而高效、安全的储能技术是解决可再生能源间歇性与不稳定性的关键环节。近年来，锂离子电池凭借其高能量密度被广泛应用。与此同时，水系电池因其本征安全、环境友好、离子电导率高和成本低廉等优势，在大规模储能领域同样展现出巨大的应用潜力。其中，以质子为载流子的水系质子电池受到了学术界的广泛关注。质子具有离子半径极小、水合半径小、摩尔质量轻、来源广泛等独特优势，使得质子电池有望实现超高倍率性能和超长循环寿命。然而，当前水系质子电池的发展面临两大关键瓶颈。一方面，现有有机负极材料在酸性电解液中易溶解，分子结构在反复充放电过程中易发生不可逆退化，导致循环稳定性较差（通常低于5000圈）；另一方面，为了确保电荷转移和离子扩散效率，多数有机负极材料的活性物质载量被限制在5 mg cm⁻²以下，远无法满足实际应用对高面容量的需求（通常要求>10 mg cm⁻²）。这些问题的根源在于：兼具高结构稳定性和快速反应动力学的有机分子设计策略仍十分匮乏。

针对有机电极材料在酸性环境中的稳定性问题，研究者们进行了大量探索。研究表明，有机分子在充放电过程中的容量衰减主要来源于两方面：一是活性物质在电解液中的物理溶解，二是分子骨架在质子嵌入/脱出过程中的结构畸变。为了抑制溶解，研究者尝试了聚合、成盐、引入大分子取代基等策略；为了增强结构稳定性，扩展π共轭体系和刚性平面结构被证明是行之有效的分子设计思路。然而，这些策略往往以牺牲比容量或倍率性能为代价。因此，如何在保证高容量的同时，赋予有机分子优异的抗溶解能力和结构稳定性，是该领域的核心科学挑战。在本课题组前期工作中，我们发现分子内氢键可以有效“锁定”有机分子的活性位点，抑制其与水分子的相互作用，从而显著提升材料在电解液中的化学稳定性。基于这一思路，我们筛选出阴丹酮（IDT）分子——一种具有扩展π共轭体系、刚性平面结构和分子内氢键的有机颜料小分子——作为质子存储材料。IDT分子由两个蒽醌单元通过吡嗪环桥接而成，分子中两个C=O基团与相邻C=N基团形成分子内氢键。这一独特结构既能通过扩展共轭保证快速电荷转移，又能通过氢键增强分子骨架的稳定性。因此，系统研究IDT的质子存储机理、高载量性能及极端环境适应性，对于揭示分子内氢键在稳定有机电极材料中的作用机制、推动水系质子电池的实用化发展具有十分重要的意义。

浙江师范大学黄健航教授团队联合深圳大学龙俊副研究员，开发了一种用于高性能水系质子电池的耐久型有机负极材料——阴丹酮（Indanthrone, IDT）。IDT分子具有扩展的π共轭体系和刚性的平面结构，两个C=O基团与相邻C=N基团形成分子内氢键，显著增强了材料的化学与电化学稳定性，有效抑制了其在酸性电解液中的溶解问题。实验表明，组装后的MnO₂@GF//IDT全电池在8 mg cm⁻²的高载量下循环20,000圈后容量保持率高达99%，在20 mg cm⁻²的超高载量下仍能维持117 mAh g⁻¹的比容量。此外，该电池在−60 ℃超低温环境下可稳定运行161天，展现了卓越的极端环境适应性。该工作为高载量、长寿命有机电极材料的结构设计提供了新思路。该成果以“Durable organic anode material with high mass-loading for proton batteries”为题发表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

1、原位表征结果显示，放电过程中形成的分子内氢键可提升材料稳定性。

2、凭借高稳定性与离子扩散性能，面载量高达20 mg cm⁻²的 IDT 电极展现出117 mAh g⁻¹的比容量，为1 mg cm⁻²载量下的92%；该电极在8 mg cm⁻²载量条件下还可稳定循环20000次。

3、MnO₂-IDT 全电池可在−60  °C环境下工作，历经161天、2000次循环后仍保持97 mAh g⁻¹的比容量。

本研究开发了一种基于阴丹酮（IDT）的高性能有机负极材料，用于水系质子电池。通过分子内氢键的巧妙设计，IDT分子在酸性电解液中展现出优异的化学和电化学稳定性，有效抑制了传统有机材料易溶解的问题。实验表明，IDT电极在20 mg cm⁻²的超高载量下仍能保持117 mAh g⁻¹的比容量，组装的MnO₂@GF//IDT全电池在8 mg cm⁻²载量下循环20,000圈后容量保持率高达99%。此外，得益于酸性电解液在低温下的高离子电导率，该电池在−60 ℃超低温环境下可稳定运行161天。

该工作揭示了分子内氢键设计对有机电极材料稳定性的关键作用，为开发高载量、长寿命、宽温域的水系有机电池提供了新的分子设计策略。未来，进一步优化有机分子的共轭结构和氢键网络，有望实现更高能量密度和更长循环寿命的质子电池，推动其在规模化储能和极端环境应用中的实际落地。

研究方向：

水系电池，液流电池

招聘要求：

1. 获得博士学位的毕业生、通过博士论文答辩的应届毕业生，师资博后不超过32周岁，普通博后不超过35周岁，品学兼优，身心健康。

2. 具有较强的科学研究能力、敬业精神和创新实践能力，具有较强的科研创新能力及英语写作能力，发表过较好的学术论文。

3. 具备全职在站从事博士后研究工作的条件。

浙江师范大学化学专业简介：

化学学科先后入选省重中之重学科、“十三五”“十四五”省一流学科（A类）、省高水平大学基础学科。拥有“先进催化材料”教育部重点实验室、“固体表面反应化学”省重点实验室、全省先进催化与吸附材料重点实验室、“含氟新材料学科”国家“111”计划创新引智基地、“化学”省重点建设实验教学示范中心、“药学”省重点建设实验教学示范中心、“手性药物先进制备技术”省工程研究中心和“浙江师范大学—巨化集团公司氟化工研发”省级研究生教育创新示范基地等教学科研平台。现有实验用房9000余平方米，配有透射电镜、扫描电镜、核磁共振波谱仪、X射线光电子能谱仪、单晶X射线衍射仪等大型仪器。

博后招聘信息详见以下网址：

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1. 简历（出生年月、教育背景、工作简历、科研成果、联系方式等）；

2.代表性论著或论文以及其他可以证明本人研究能力及水平的相关资料，申请意向的研究方向及未来研究计划等；

3．本人身份证、学历学位、相关荣誉的获奖证书等扫描件材料。

(1) Constructing Dense Morphology of Sn with High Reversibility under High Areal-capacity for Anode-Free Tin Batteries [J]. Angewandte Chemie International Edition, 64 (2025), e202425419.

(2) Towards Highly Stable Sn2+ Electrolyte for Aqueous Tin Batteries Using Hydroquinone Antioxidant [J]. Angewandte Chemie International Edition, 64 (2025), e202418928.

(3) Highly reversible zinc anode enabled by a trace-amount additive with pH buffering capability [J]. Energy & Environmental Science. 18 (2025) 982-990.

(4) High Zn(002)-preferential orientation enabled by a proton additive for dendrite-free zinc anodes [J]. Energy & Environmental Science. 17 (2024) 9205-9214.

(5) Highly reversible tin redox chemistry for stable anode-free acidic proton battery [J]. Joule. 8 (2024) 1063-1079.