支春义EES：有机吩嗪负极的定制羟基实现高性能和稳定的碱性电池

碱性水系电池由于其高电压、低成本和高安全性而引起了广泛的研究兴趣。然而，金属负极在碱性电解液中通常稳定性较差，副反应严重。有机物是解决这些问题的潜在替代品，但它们直接作为负极仍存在些许问题。

在此，香港城市大学支春义团队开发了一组有机吩嗪衍生物，包括吩嗪(PZ)、2-羟基吩嗪(PZ-OH)和1,2-二羟基吩嗪(PZ-2OH)作为碱性电池的负极材料。结果表明，引入羟基可使氧化还原电位降低0.4 V，分子内氢键形成的快速离子传输通道可显著改善氧化还原动力学。

优化的PZ-2OH||Ni(OH)₂电池提供208 mAh g^-1的高容量、247 Wh kg^-1的高能量密度、高达9000次的超稳定循环能力和低容量衰减率(每个循环约0.075 ‰)。同时，该工作还展示了碱性PZ-2OH||空气电池，进一步证明了PZ-2OH在碱性条件下的适用性。

图1. PZ、PZ-OH、PZ-2OH分子的电化学动力学差异

总之，该工作合成了3种羟基数目不同的PZ、PZ-OH和PZ-2OH作为ANAB的负极材料，研究了羟基对电化学性能的影响，发现其结构-电化学活性具有很强的相关性。羟基作为电子给体基团引入吩嗪后，放电电位从-0.78 V (PZ)显著降低至-1.07 V (PZ-2OH)。

同时，带有羟基的吩嗪衍生物通过羟基官能团的分子间相互作用提供了快速电荷传输通道，降低了电荷传递阻抗，具有比吩嗪更优越的倍率性能。结果表明，PZ-2OH||Ni(OH)₂电池表现出优异的电化学性能，包括在0.2 A g^-1时的高度可逆容量为178 mAh g^-1，在10 A g^-1时的高功率密度为26.2 KW kg^-1，以及超过9000次循环的稳定可循环性。

此外，PZ-2OH||空气全电池的成功制备进一步证明了PZ-2OH材料在碱性电池中的普遍适用性。因此，该研究为设计吩嗪衍生物负极材料提供了丰富的机会，从而促进了高性能ANAB的探索。

图2. 电池性能

Tailoring hydroxyl groups of organic phenazine anode for high-performance and stable alkaline batteries，Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01212c

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