A holomolecule conjugated and electron delocalized organic compound for superior proton-storage redox capability

氧化还原 离域电子 电化学 质子化 共轭体系 化学 电解质 分子 质子 电子离域 电极 电子传输链 材料科学 纳米技术 无机化学 物理化学 有机化学 聚合物 离子 量子力学 生物化学 物理
作者
Renwei Jing,Jing He,Lingtong Hu,Jun Yang,Chao Yan,Minjie Shi
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:477: 147169-147169 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147169
摘要

Aqueous proton batteries (APBs) offer realistic possibilities for reliable and sustainable energy technologies owing to their unique "Grotthus mechanism". Organic compounds with tunable molecular structures are candidate electrode materials, but their unsatisfactory proton-storage redox behaviors hinder the practical application in APB devices. Herein, a holomolecule conjugated organic compound (PZQN) composed of pyrazine and quinone rings is synthesized and used for APB application. Such reasonable configuration bestows the PZQN molecule with extended π-conjugation, overall molecular rigidity and optimized electronic structure with a small energy gap (∼3.12 eV). Localized orbital locator-π (LOL-π) and iso-chemical shielding surfaces (ICSS) techniques reveal the extraordinary electron delocalization in the PZQN molecule, enabling its high-kinetic redox activity and superior electron affinity. As such, the PZQN compound as an electrode material exhibits a fast, stable and unrivaled proton-storage redox capability with a competitive capacity of 262.5 mAh g−1 in aqueous acidic electrolyte, which is comparable among various proton-inserted organic electrodes. In-situ dynamic analysis combined with theoretical calculations illustrate the proton-storage redox mechanism and corresponding protonation pathway. Finally, a high-performance APB device is fabricated with superior electrochemical properties and an ultralong lifespan over 40,000 cycles, further confirming its promising application prospect.
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