有机电极材料由于其环境友好、储量丰富、结构多样，引起越来越多的关注。目前钠离子电池中传统有机电极材料大多数是共轭化合物，可通过官能团和共轭环内的单双键重排机制实现电子稳定存储。然而，国内外关于非共轭电极材料的储钠机制研究还是空白，若可将共轭化合物扩展到非共轭化合物，不仅可以拓展有机电极材料种类，还可以提高有机电极材料活性、丰富钠离子存储机制。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所刘建军研究员团队与上海交通大学王开学教授合作研究，在非共轭电极材料 1,4- 环己烷二羧酸 (CHDA) 的储钠机制研究方面取得突破性进展，相关成果发表在国际化学领域顶尖期刊 Angew. Chem. Int. Ed. ( DOI: 10.1002/anie.201801654 ) 上。上海交通大学博士生马超和上海硅酸盐所硕士生赵晓琳为本论文共同第一作者，论文共同通讯作者为王开学教授和刘建军研究员。
该工作通过密度泛函理论（ DFT ）计算发现非共轭电极材料 CHDA 可通过官能团羧基 -COOH 之间的 H 转移实现两个 Na + 的储存，形成新官能团 -C(OH) 2 和 O=C=O ，诱导 CHDA 中π →σ键的转变，实现电子的稳定存储，即实现非共轭体系的储钠。非共轭电极材料 CHDA 储钠机制可以作为生物体系中“质子耦合电荷转移（ PCET ）”电化学机制的重要扩展。
基于理论计算结构设计，通过实验制备 CHDA 电极材料并利用红外光谱证实了反应产物 O=C=O 的可逆消失与生成，核磁共振验证了反应产物 -C(OH) 2 的可逆消失与生成，两者均证实了 H 转移的发生；通过 CV 和充放电曲线表征了 CHDA 的良好电化学性能， CV 中两对氧化还原峰对应 CHDA 的两步嵌钠反应，与计算吻合，充放电曲线中约 249mAh/g 的高比容量，接近理论比容量。
刘建军研究员团队长期致力于有机储能材料的研究，已经取得系列研究结果，主要包括研究环辛四烯为基的电极材料，设计 C 4 /C 8 系列的不同比率稠合，其中单双键重构和芳香化机制的双重叠加可以产生高电压和比容量。该工作得到相关实验验证，为设计高电压有机电极材料提供了重要的理论基础（ ACS Appl. Mater. Interface ， 2018 , 10, 2496 ）；生物有机分子 尿酸 UA 电极材料设计，理论研究尿酸的储钠机制，即 C=C(NH-)2 中强电负性 N 元素 p 轨道与碳负离子的孤对电子 p 轨道的杂化稳定了碳负离子，实现了储钠。实验检测的复合材料 UA@CNT 在 200 mA/g 的高电流密度下循环 200 圈仍然可以保持 163 mA h/g 的容量（ Appl. Mater. Interface, 2017 , 9 , 33934 ）。
以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上、上海市材料基因组等项目支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201801654
