近日，我院资格教授汪冬红/化学与化工学院朱磊博士在国际顶级化学类期刊《Chemical Science》（中国科学院一区Top期刊）发表硝基化改善水系锌电池有机正极增强机制研究最新成果。基于此，发表综述“有机硝基化合物在电池中的研究进展”于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP期刊）上。以上成果我校均为论文第一完成单位，汪冬红教授为论文第一作者，材料科学与工程学院汪冬红教授、化学与化工学院朱磊博士、香港城市大学支春义教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金青年项目、安徽省自然科学基金和安徽省高等学校自然科学研究项目、松山湖材料实验室开放课题项目的支持。

电子设备的飞速发展以及对可持续能源供应需求的增加，以可充电电池和氧化还原液流电池为代表的高性能储能技术得到迅速发展。这些电池的性能主要依赖于电极材料的氧化还原性能。因此，具有多电子氧化还原活性和快速反应动力学的电极材料是获取高性能的必要条件。有机电极材料可通过预设计氧化活性位点和分子结构调控，在电极材料上表现了很高的应用前景。如，羰基和亚胺基在电池中可展现可逆的一电子氧化还原反应。更为突出的是，硝基具有两电子氧化还原活性，在电池中可输出更高的比容量。除用作电化学活性位点外，硝基具有强吸电子基团，可显著改善有机材料的氧化还原电势和输出电压平台。因此有机硝基化合物（ONC）是一种有吸引力的替代品，它具有多电子氧化还原过程和通过结构修饰可调节电池性能的优点。

传统的羰基和亚胺基有机化合物基于其1电子转移反应，容量和能量密度有限。因此亟需开发新型的具有多电子转换反应的官能团。有机硝基化合物基于其两电子氧化还原反应已在锂离子电池中表现出高达~500 mAh g⁻¹的比容量，因此激发了其在水系锌电池中的应用。研究表明，每个硝基上的两个氧原子可同时与一个锌离子相结合，或每个氧原子分别结合一个锂离子，如图1所示。

图1.不同有机官能团的存储机理示意图及其贡献容量对比。

团队研究了硝基化对芘-4,5,9,10-四酮（PTO）的改善效应，实现了循环寿命和动力学的提升。在0.8-1.5 V电压范围内，硝基的吸电子效应可显著提高羰基基团的放电电压。在0.1-1.5 V电压范围内，硝基的四电子转移特征可提高首次放电容量，实现了905 mAh g⁻¹的超高比容量。该四电子反应对应于硝基向偶氮基的新型电化学转化。这一转化可原位构筑偶氮桥联的共轭多羰基有机电极材料（PTO-Azo），从而避免PTO在低电流下的快速溶解现象，实现循环稳定性的大幅提升。此外，偶氮链接的聚合物可显著降低未占据分子轨道能量和带隙，促进电子和离子传输，改善反应动力学。

图2. PTO、PTO-NO₂和PTO-2NO₂的分子结构，首圈放电曲线、循环伏安曲线，首圈不同放电阶段的产物红外和X-射线光电子能谱表征

图3. PTO-Azo的电化学性能研究

图4. PTO-Azo的动力学性能研究和解析

图5. PTO-Azo的电化学存储机理研究

该工作创新性在于提出了硝基在水系电解液中的四电子还原反应，成功实现了偶氮-多羰基共轭有机化合物的构筑。这一策略实现了多羰基化合物的易溶解导致的容量衰减快和导电性不佳导致的动力学差等限制，为开发更高效的共轭聚合物提供了新的思路。此外，本研究还强调了硝基在首次放电过程中，对羰基电压的提升效应和额外高容量。

图6. PTO硝基化修饰性能提升示意图

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d4sc08514k

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416000

                                                            （撰稿：汪冬红 顾京宇   审核：赵何腹  李永涛）