清華新聞網(wǎng)3月11日電 近日，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授課題組在非共價(jià)作用的電化學(xué)分析及其能源電化學(xué)工程的應(yīng)用領(lǐng)域取得研究成果。研究團(tuán)隊(duì)及其合作者揭示了非共價(jià)作用與電化學(xué)響應(yīng)之間的定量關(guān)系，開(kāi)創(chuàng)了非共價(jià)分析電化學(xué)交叉學(xué)科的研究范式，通過(guò)非共價(jià)作用調(diào)控實(shí)現(xiàn)了高能量密度電池器件的開(kāi)發(fā)，展示了非共價(jià)調(diào)控在能源電化學(xué)工程中的巨大潛力。
非共價(jià)作用描述了微觀(guān)世界中區(qū)別于化學(xué)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(xué)工程中發(fā)揮不可替代的作用。目前，非共價(jià)作用的研究極大地依賴(lài)于光譜學(xué)的表征手段，基于非共價(jià)作用與電化學(xué)的交叉學(xué)科尚未得到有效建立。這不僅限制了對(duì)非共價(jià)作用本質(zhì)的深入理解，也制約了基于非共價(jià)作用的調(diào)控策略在電化學(xué)工程中的實(shí)際應(yīng)用。
圖1.非共價(jià)分析電化學(xué)的示意圖
研究者基于紫精對(duì)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(jià)相互作用在電化學(xué)行為上的響應(yīng)，從理論上建立了非共價(jià)分析電化學(xué)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了非共價(jià)電化學(xué)滴定策略，提出了基于電化學(xué)手段測(cè)量非共價(jià)作用性質(zhì)的新思路。相比于傳統(tǒng)的光譜學(xué)表征技術(shù)，非共價(jià)電化學(xué)滴定策略在測(cè)量的準(zhǔn)確性與普適性等方面呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。研究者進(jìn)一步基于非共價(jià)電化學(xué)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(jià)分析電化學(xué)對(duì)超分子化學(xué)、電化學(xué)等基礎(chǔ)研究的重大意義。
非共價(jià)作用提供了調(diào)控物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)的新維度，有望在能源電化學(xué)工程中發(fā)揮不可替代的作用。研究者基于建立的非共價(jià)分析電化學(xué)，通過(guò)引入特定強(qiáng)度的非共價(jià)相互作用，精準(zhǔn)調(diào)控紫精對(duì)苯撐的電化學(xué)性質(zhì)，并使之匹配轉(zhuǎn)化型正極材料對(duì)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(dá)495Whkg?1的鋰硫電池器件。該研究促進(jìn)了超分子化學(xué)與電化學(xué)的學(xué)科交叉與學(xué)科融合，加深了對(duì)非共價(jià)相互作用本質(zhì)的理解，展示了非共價(jià)調(diào)控在能源電化學(xué)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(jià)分析電化學(xué)”（Analytical noncovalent electrochemistry for battery engineering）為題，發(fā)表于《自然·化學(xué)工程》（Nature Chemical Engineering）。
圖2.非共價(jià)調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)高性能氧化還原介體篩選/設(shè)計(jì)的示意圖
張強(qiáng)與美國(guó)西北大學(xué)教授弗雷澤·斯托達(dá)特（J. Fraser Stoddart）為論文通訊作者。清華大學(xué)化工系2019級(jí)博士生、美國(guó)西北大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生趙長(zhǎng)欣為論文第一作者。共同作者包括清華大學(xué)2021級(jí)博士生李西堯、美國(guó)西北大學(xué)博士后韓含等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、江陰-清華創(chuàng)新引領(lǐng)行動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)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(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
