清華新聞網(wǎng)3月11日電 近日，清華大學化工系張強教授課題組在非共價作用的電化學分析及其能源電化學工程的應(yīng)用領(lǐng)域取得研究成果。研究團隊及其合作者揭示了非共價作用與電化學響應(yīng)之間的定量關(guān)系，開創(chuàng)了非共價分析電化學交叉學科的研究范式，通過非共價作用調(diào)控實現(xiàn)了高能量密度電池器件的開發(fā)，展示了非共價調(diào)控在能源電化學工程中的巨大潛力。
非共價作用描述了微觀世界中區(qū)別于化學鍵的另一種相互作用形式，為物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的調(diào)控引入了新的維度，因此有望在化學工程中發(fā)揮不可替代的作用。目前，非共價作用的研究極大地依賴于光譜學的表征手段，基于非共價作用與電化學的交叉學科尚未得到有效建立。這不僅限制了對非共價作用本質(zhì)的深入理解，也制約了基于非共價作用的調(diào)控策略在電化學工程中的實際應(yīng)用。
圖1.非共價分析電化學的示意圖
研究者基于紫精對苯撐與萘的超分子系統(tǒng)，研究了其中的電荷轉(zhuǎn)移非共價相互作用在電化學行為上的響應(yīng)，從理論上建立了非共價分析電化學的數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了非共價電化學滴定策略，提出了基于電化學手段測量非共價作用性質(zhì)的新思路。相比于傳統(tǒng)的光譜學表征技術(shù)，非共價電化學滴定策略在測量的準確性與普適性等方面呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢。研究者進一步基于非共價電化學滴定策略，發(fā)現(xiàn)了一種2：1型主客體超分子物種，展示了非共價分析電化學對超分子化學、電化學等基礎(chǔ)研究的重大意義。
非共價作用提供了調(diào)控物質(zhì)電化學性質(zhì)的新維度，有望在能源電化學工程中發(fā)揮不可替代的作用。研究者基于建立的非共價分析電化學，通過引入特定強度的非共價相互作用，精準調(diào)控紫精對苯撐的電化學性質(zhì)，并使之匹配轉(zhuǎn)化型正極材料對氧化還原介體性質(zhì)的苛刻要求，從而構(gòu)筑了能量密度高達495Whkg?1的鋰硫電池器件。該研究促進了超分子化學與電化學的學科交叉與學科融合，加深了對非共價相互作用本質(zhì)的理解，展示了非共價調(diào)控在能源電化學工程領(lǐng)域的巨大潛力。
相關(guān)研究成果近日以“電池工程中的非共價分析電化學”（Analytical noncovalent electrochemistry for battery engineering）為題，發(fā)表于《自然·化學工程》（Nature Chemical Engineering）。
圖2.非共價調(diào)控策略實現(xiàn)高性能氧化還原介體篩選/設(shè)計的示意圖
張強與美國西北大學教授弗雷澤·斯托達特（J. Fraser Stoddart）為論文通訊作者。清華大學化工系2019級博士生、美國西北大學訪問學生趙長欣為論文第一作者。共同作者包括清華大學2021級博士生李西堯、美國西北大學博士后韓含等。研究得到國家自然科學基金、江陰-清華創(chuàng)新引領(lǐng)行動專項的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44286-024-00038-0
供稿：化工系
題圖設(shè)計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
