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Deciphering SN2-Type Nucleophilic Substitution via Halogen-Free Intermediates for High-Energy Zinc–Iodine Batteries

化学 SN2反应 亲核取代 卤素 替代(逻辑) 取代反应 组合化学 光化学 有机化学 计算机科学 程序设计语言 烷基
作者
Zhehan Yi,Hengyue Xu,Jin‐Lin Yang,Jia Li,Tao Xiao,Hao Chen,Cheng Jiang,Hong Li,Seok Woo Lee,Hong Jin Fan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c08469
摘要

High-valence halogen conversion reactions are promising for realizing high-energy-density aqueous batteries. It has been more challenging to realize a stable and reversible I0/I+ conversion than the facile I-/I0 conversion. While interhalogen chemistry has been employed to realize a reversible I-/I0/I+ (i.e., four-electron) redox couple, the introduction of additional halide species raises corrosion and toxicity issues. Herein, we propose an SN2-type nucleophilic substitution mechanism for the activation of the I0/I+ redox process. A series of halogen-free intermediates containing imide groups is proven effective in promoting four-electron halogen reactions due to conjugation-stabilized nitrogen anions. A structure-kinetics relationship among various imide-containing molecules is elucidated using two descriptors: the hydrogen dissociation energy (Ed) of the imide group and the local nucleophilicity (LN) of the corresponding nitrogen anion. A Zn-I2 battery with a theobromine intermediate exhibits stable cycling (a capacity retention of 93.9% at 5 A g-1 over 1000 cycles). This work provides new insights into the mechanism of the I0/I+ redox process and a new avenue to the development of high-capacity multielectron iodine cathodes.
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