基于醌的有机电极因其快速且可逆的质子耦合氧化还原反应，在水系质子电池中极具吸引力。然而，其在实际应用中主要受到以下因素的限制：在酸性电解液中严重溶解、结构稳定性差以及电子导电性低。本文，兰州大学杜鹏程 副教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Molecularly Anchored n-Type Quinone/Graphene Heterostructures Enabling High-Capacity and Ultra-stable Proton Storage”的论文，研究报道了一种分子锚定型n型醌/石墨烯异质结构，该结构通过简便的溶剂热策略将四氨基苯醌（TABq）与还原氧化石墨烯（rGO）结合而成。强烈的π–π堆积、氢键相互作用和共价键将TABq分子有效固定在导电的rGO骨架上，从而抑制了活性物质的溶解，增强了电极的完整性，并构建了高效的电子/质子传输路径。开放的异质界面和丰富的氧化还原活性位点进一步促进了质子的快速吸收/释放，并加速了电荷转移动力学。
得益于这种合理的异质结构设计，优化的 TABq/rGO 电极在 1 A g⁻¹ 电流密度下展现出 349.78 mAh g⁻¹ 的高比容量，即使在 100 A g⁻¹ 电流密度下仍具有 131.12 mAh g⁻¹ 的出色倍率性能，并具备优异的循环稳定性。当与 3,4,9,10-芘四羧酸二酐阳极配合使用时，该全电池在 0.75 A g–1 电流密度下可实现 129.03 mAh g–1 的可逆容量，并在1000次循环后仍保持 75.43% 的容量。此外，基于 TABq/rGO 的对称质子电池表现出出色的长期稳定性，在 10,000 次循环后仍保留 74.17% 的容量。实验表征结合密度泛函理论计算表明，TABq/rGO异质界面可调节电荷分布、稳定醌类氧化还原中心，并降低质子存储的动力学能垒。本研究提出了一种有效的分子锚定策略，可用于开发适用于先进水系质子电池的高容量、高倍率且耐用的有机电极。
Figure 1.Synthesis process of molecularly anchored n-type TABq/rGO heterostructures.
总而言之，我们开发了一种分子锚定的n型醌/石墨烯异质结构（TABq/rGO），用于高容量且超稳定的水溶液质子存储。通过一种简便的溶剂热策略，具有氧化还原活性的 TABq 分子通过协同的 π-π 堆积、氢键相互作用和共价键，牢固地固定在导电的 rGO 骨架上。该异质结构有效抑制了醌的溶解，增强了结构稳定性，并促进了电子/质子传输动力学。因此，优化的TABq/rGO电极在1 A g–1电流密度下展现出349.78 mAh g–1的高比容量、优异的倍率性能以及强健的长期循环稳定性。当与PTCDA阳极组装成水基质子全电池时，其能量密度达到81.4 Wh kg–1，且经过1000次循环后仍保持75.43%的容量。此外，基于TABq/rGO的对称质子电池在10,000次循环后仍保持74.17%的容量保持率，进一步证实了该异质结构电极的耐久性。本研究表明，分子锚定和异质界面工程是克服蒽醌类有机电极溶解和导电性限制的有效策略，为设计用于高性能水基质子电池的先进有机材料提供了宝贵的指导。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.6c11056
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