东北大学孙宏滨&中国农业大学艾永建&沈阳化工大学许光文最新Nature子刊丨单晶有机电极用于水系质子电池!

水系有机质子电池兼具安全、低成本和低极化等优势，被认为适合大规模储能场景。质子H⁺具有极小水合半径、快速扩散动力学和较低极化损失，因此有机醌类化合物因可逆质子耦合氧化还原反应而受到关注。

不过，传统研究多集中在分子结构改造和电解液添加剂上，对分子尺度之外的超分子堆叠、疏水相互作用和晶体构型关注不足。对于难溶有机电极，真实电化学性能不仅取决于理论容量，还受到活性位点可达性、离子传输通道和循环中晶格稳定性的共同限制。

该工作选择2,3-二氯-1,4-萘醌及其单晶SC-DCNQ作为模型体系，系统研究π-π堆叠、π供体-受体相互作用和特定晶面暴露如何共同影响水系质子存储，为从分子、超分子到晶体层级设计有机电极提供依据。

近日，东北大学孙宏滨、中国农业大学艾永建、沈阳化工大学许光文在Nature Communications发表了题为"Single-Crystal Organic Electrode for Aqueous Proton Batteries"的研究论文，Na Ju为论文第一作者，孙宏滨、艾永建、许光文为论文通讯作者。

核心亮点

1. 提出单晶有机电极SC-DCNQ，用晶体结构而不只是分子设计来提升水系质子电池性能。

2. 证明π供体-受体堆叠形成的双分子对可增强电荷迁移、分子稳定性和质子传输。

3. 通过operando XRD、SCXRD和cryo-TEM揭示质子嵌入过程中的各向异性晶格演化。

4. SC-DCNQ在0.5 A g⁻¹下容量达到228.6 mAh g⁻¹，接近理论容量的96.65%，并具备优异倍率性能。

5. SC-DCNQ||PbO₂全电池可在-20 °C至40 °C宽温范围内稳定工作，5 A g⁻¹循环300次后容量保持率达95%。

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水系有机电池因本征安全、低成本和低极化而受到关注。然而，多数研究集中于分子设计，分子尺度之外的超分子组装和晶体结构影响仍在很大程度上被忽视。

该工作通过核磁共振、单晶X射线衍射、原位X射线衍射、低温透射电子显微镜以及理论计算，研究了用于水系质子电池的2,3-二氯-1,4-萘醌单晶电极。研究阐明了分子结构、超分子组装和晶体结构在质子存储性能中的作用。

值得注意的是，π供体-受体堆叠的双分子对形成增强的(100)晶面，并具有最低质子吸附能，使容量利用率达到96.65%。

以该材料为负极、PbO₂为正极构建的全电池在-20 °C至40 °C宽温范围内，以5 A g⁻¹循环300次后仍保持95%容量。该工作为从分子、超分子和晶体多层级理解水系有机电池材料的结构-性能关系提供了新认识。

📊 图文解读

图1 | SC-DCNQ的分子能级、晶体结构和π-DA相互作用共同证明其具备有利的电子离域与质子/电子传输基础。

研究人员先比较多种小分子醌的HOMO-LUMO能级，筛选出更易接受电子且极化更低的DCNQ。升华法制备的SC-DCNQ具有更高结晶性，并显著暴露(002)和(100)晶面；SCXRD显示其形成头尾排列的π-DA双分子对。

p-DOS、RDG和梯度等值面进一步表明，π-π相互作用增强了电子离域、分子稳定性和内在电荷迁移能力。

图2 | Operando XRD、SCXRD和cryo-TEM揭示SC-DCNQ在质子嵌入/脱出中保持单晶骨架并发生可逆各向异性晶格变化。

原位XRD显示充放电过程中主要衍射峰仅发生小幅位移，没有明显相变；(002)晶面收缩，而(100)和(200)晶面扩张。放电产物SC-DCNP仍保持单晶状态和双分子对组装。

cryo-TEM直接观察到(002)晶面间距由0.798 nm收缩，(100)晶面间距由0.654 nm扩展到0.656 nm，说明定向晶格动态有利于构建连续质子传输路径。

图3 | SC-DCNQ电极表现出高容量利用率、优异倍率性能、低阻抗和长循环稳定性。

CV曲线显示SC-DCNQ具有清晰且可重复的氧化还原峰，b值为0.78和0.83，说明其兼具电池型和赝电容型储能行为。该电极在0.5 A g⁻¹下容量达228.6 mAh g⁻¹，接近理论容量的96.65%；

即使在40 A g⁻¹下仍保持137.9 mAh g⁻¹。1 A g⁻¹长循环4000圈后仍有154.8 mAh g⁻¹，EIS也显示极低的Rs和Rct。

图4 | 多谱学表征与DFT计算共同解析SC-DCNQ中羰基可逆质子化和晶面选择性质子吸附机制。

Operando FT-IR显示放电时约1650 cm⁻¹的C=O伸缩振动逐渐减弱，同时约1318 cm⁻¹处出现C-O-H弯曲信号，说明羰基转化为羟基；Raman和O 1s XPS进一步支持可逆质子存储。

MESP和质子吸附路径计算揭示质子优先与醌氧位点结合，DFT显示(100)晶面质子吸附能最低，为-1.1916 eV，是高容量利用率的重要来源。

图5 | SC-DCNQ基全电池展现稳定输出、良好倍率性能、低自放电和宽温循环可行性。

研究团队进一步将SC-DCNQ作为负极，与PbO₂或MnO₂@GF正极匹配构建全电池。CV、GCD和倍率测试证明全电池具备稳定的氧化还原行为和快速响应能力；

在5 A g⁻¹条件下，SC-DCNQ||PbO₂体系可在-20 °C至40 °C宽温范围运行，300次循环后保持95%容量，同时自放电测试和MnO₂@GF体系验证了其实用潜力。

📝 总结

该研究证明，升华法制备的2,3-二氯-1,4-萘醌单晶SC-DCNQ具有优于商业样品和溶剂结晶样品的质子存储性能。

其性能提升来自分子结构、π供体-受体超分子组装和晶体结构的协同作用：双分子π-π堆叠增强电子离域和结构稳定性，特征(100)晶面提供更强的质子结合能力，定向晶格演化维持活性位点可达性和质子传输通道。

该工作说明，有机电极的性能优化不能只停留在分子设计层面，还需要同时调控超分子堆叠与晶体取向，为高性能水系有机质子电池材料设计提供了结构-性能关联思路。

Single-Crystal Organic Electrode for Aqueous Proton Batteries,Nature Communications,2026,DOI:10.1038/s41467-026-76023-3