論文DOI：10.1016/j.ensm.2025.104527
中性水系有機氧化還原液流電池（AORFBs）的發(fā)展因有機電解液材料的穩(wěn)定性不足而受到嚴重制約，尤其是在長時間的氧化還原過程中表現尤為明顯。本工作通過咪唑驅動的多氫鍵工程策略，開發(fā)了具有卓越溶解性（1.43 M）和構型穩(wěn)定性（核獨立化學位移值NICS：-18.544 → -14.577）的萘二酰亞胺（NDI）衍生物。分子動力學模擬（MD）結合實驗表征，定量驗證了涉及（i）定向羰基、（ii）咪唑基團和（iii）跨越萘二甲酰亞胺核心及烷基鏈末端的羥基的協同氫鍵網絡。在1 M電池循環(huán)中展現出前所未有的穩(wěn)定性——在700次循環(huán)（27天）中每日容量保持率高達99.9355%。本工作通過咪唑調控的層級氫鍵結構，克服了萘二酰亞胺材料在水系有機氧化還原液流電池中固有的溶解性與穩(wěn)定性之間的權衡難題。
面對全球對安全高效儲能方案的迫切需求，中性水系有機液流電池（AORFBs）因其高安全性和環(huán)境友好性成為備受關注的下一代儲能技術。AORFBs采用可調控的小分子有機電解質，具有合成簡便、成本低及多電子轉移等優(yōu)勢，其中萘二酰亞胺衍生物作為負極材料，憑借其穩(wěn)定的雙電子氧化還原特性和可功能化分子結構，展現出高理論容量和優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)單電子存儲系統(tǒng)，其理論容量可提升100%。通過季銨鹽改性技術，何剛研究團隊成功合成了NDI、PDI和TPDI等改性芳族二亞胺材料，展現出優(yōu)異的電池性能[1]。此外，該團隊還發(fā)布了一類具有協同p-p堆積和氫鍵網絡作用的新型萘二酰亞胺材料（siol-NDI、diol-NDI和dex-NDI），顯示出巨大的商業(yè)應用潛力[2]。在國際研究領域，Byon等人設計了一系列萘二酰亞胺材料（K2-BNDI、A2+-Et-NDI和4A4+-NDI）作為RFBs的負極電解液材料，同樣展現出優(yōu)異的性能[3]。研究證實，這些材料在溶液中的p-p堆積作用能有效抑制自由基活性，從而提升電化學過程的穩(wěn)定性。上述研究成果無疑進一步證明了萘二酰亞胺及其衍生物作為中性AORFBs的負極材料的巨大潛力，為未來商業(yè)化應用奠定了堅實基礎。然而，傳統(tǒng)烷基鏈修飾策略在提升水溶性的同時，難以有效構建豐富的氫鍵網絡，限制了材料性能的進一步提升。作為具有五元環(huán)結構和明顯吸電子能力的芳香化合物，咪唑在離子液體、電致變色技術及液流電池等領域展現出廣闊的應用前景，其獨特的陰離子氫鍵形成能力可有效提升材料溶解度。基于咪唑的獨特性質，我們課題組創(chuàng)新性地將兩種含水溶性中心的芳香烴結構，甲基咪唑和1-（2-羥乙基）咪唑引入萘二酰亞胺體系，成功合成三種新型分子：(1) NDI-C2-MzMe、(2) NDI-C3-MeMz、(3) NDI-C3-MzOH。
本研究創(chuàng)新性地引入甲基咪唑和
