一种高容量π-共轭有机聚合物的制备及在二次水系锌电池正极中的应用

doi:10.7503/cjcu20250306

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3): 20250306.doi: 10.7503/cjcu20250306

一种高容量π-共轭有机聚合物的制备及在二次水系锌电池正极中的应用

林子睿¹^,²(), 邢耀文¹^,², 宋义昊¹^,², 桂夏辉¹^,²()

^1.中国矿业大学炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室
^2.煤加工与洁净化工程技术研究中心，徐州 221116

收稿日期:2025-10-21 出版日期:2026-03-10 发布日期:2025-12-07
通讯作者: 林子睿 E-mail:linzrys@cumt.edu.cn;guixiahui1985@163.com
作者简介:桂夏辉，男，博士，研究员，主要从事矿物加工、关键金属分离与提取等方面的研究. E-mail： guixiahui1985@163.com
基金资助:
徐州市省市联合基础研究专项资金(KC25022);国家自然科学基金(52504319);国家重点研发计划项目(2021YFC2902600);国家重点研发计划项目(2023YFE0100600)

Preparation of a High-capacity π -Conjugated Polymer and Its Application in Rechargeable Aqueous Zinc Battery Cathode

LIN Zirui¹^,²(), XING Yaowen¹^,², SONG Yihao¹^,², GUI Xiahui¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Coking Coal Resources Green Exploitation
^2.Chinese National Engineering Research;Center of Coal Preparation and Purification，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China

Received:2025-10-21 Online:2026-03-10 Published:2025-12-07
Contact: LIN Zirui E-mail:linzrys@cumt.edu.cn;guixiahui1985@163.com
Supported by:
the Xuzhou Provincial-City Joint Basic Research Special Fund, China(KC25022);the National Natural Science Foundation of China(52504319);the National Key Research and Development Program of China(2021YFC2902600)

1. ESM to 20250306.pdf(784KB)

摘要/Abstract

摘要：

π-共轭聚合物由活性有机小分子聚合而成，具有扩展共轭结构，能够用于克服活性小分子易溶解、导电性差的缺陷. 在可充电水系锌电池（RAZBs）领域， π-共轭聚合物因具有高理论容量而备受瞩目. 本文设计合成了一种具有丰富吡嗪基与羰基活性位点的π-共轭聚合物——聚（5，8-二氮杂-1，4萘醌）[Poly(5，8-diaza-1，4-naphthoquinone)， PANQ]，并将其用作RAZBs正极活性材料. 研究结果表明， PANQ具有高放电容量、优良倍率性能与循环稳定性. 在0.2 A/g电流密度下表现出443.4 mA·h/g可逆容量，对应于90.5%的高理论容量利用率；在 5 A/g电流密度下循环1000次后，容量保持率为65%. 本文提供了一种具有较大储能潜力的π-共轭聚合物材料，为开发高性能RAZBs及其它储能元件提供了备选与参考.

关键词: π-共轭聚合物, 水系锌电池, 有机正极, 储能机理, 高容量

Abstract:

π-Conjugated polymers constructed from active small molecules exhibit extended conjugated structures， overcoming the solubility and conductivity challenges of small molecules. Along with their high theoretical capacities， such materials have attracted increasing attention as cathodes for rechargeable aqueous zinc batteries（RAZBs）. Herein， we designed and synthesized an active-site-rich π-conjugated polymer， poly（5，8-diaza-1，4-naphthoquinone）（PANQ）， as a high-performance RAZBs cathode material. The PANQ cathode delivers high discharge capacities， rate capability and cycling stability， achieving a reversible capacity of 443.4 mA·h/g at 0.2 A/g， corresponding to 90.5% of its theoretical capacity， and retaining 65% of its capacity after 1000 discharge-charge cycles. This work demonstrates a promising π-conjugated polymer with efficient energy-storage capability， offering a potential cathode candidate for developing high-performance RAZBs and other energy-storage systems.

Key words: π-Conjugated polymer, Aqueous zinc battery, Organic cathode, Energy storage mechanism, High- capacity

中图分类号:

O646

TrendMD:

林子睿, 邢耀文, 宋义昊, 桂夏辉. 一种高容量π-共轭有机聚合物的制备及在二次水系锌电池正极中的应用. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250306.

LIN Zirui, XING Yaowen, SONG Yihao, GUI Xiahui. Preparation of a High-capacity π -Conjugated Polymer and Its Application in Rechargeable Aqueous Zinc Battery Cathode. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250306.

图/表 8

Fig.1 FTIR⁃ATR spectrum of as⁃prepared PANQ

Fig.2 XPS spectra of O1s(A), N1s(B) and C1s(C) of as⁃prepared PANQ

Fig.3 Relation curve between the C/N mass ratio and the polymerization degree(incorporating expected PANQ strcture and EA results)

Fig.4 GCD curves of 50%PANQ RAZBs at various current densities(A), reversible discharge capacities of 50%PANQ RAZBs and of 80%PANQ RAZBs under various current densities(B), comparison of this work with previously reported cathodes(C), capacity and Coulombic efficiency(CE) evolution of 80%PANQ RAZBs at 5 A/g for 1000 cycles(D)(A) Current density/(A·g-1): a. 0.2, b. 0.5, c. 0.8, d. 1.0, e. 2.0, f. 3.0, g. 5.0. (C) EP denotes electrodeposition of 100%.

Fig.5 In⁃situ FTIR contour mapping of the cathode during the second cycle(A), O1s (B) and N1s (C) XPS spectra of charged and discharged PANQ cathodes

Fig.6 SEM(A) and EDS mapping images of C(B), O(C), Zn(D) of the discharged PANQ cathode

Fig.7 GITT profiles and the corresponding diffusion coefficients of PTAP cathodes during discharge

Fig.8 DRT curve[γ(τ)] along with an equivalent circuit representing resistances(R) and constant phase elements(CPE) associated with different kinetic processes(A), contour mapping of DRT⁃derived resistances(B)

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