多壁碳纳米管封装氧化还原活性有机分子构建高性能锌液流电池阴极材料研究

为解决锌基液流电池中多卤化物溶解性差导致的库仑效率低和循环寿命短等问题，Priyanka P. Bavdane团队创新性地将TCNQ、HQ和TEMPO三种氧化还原活性有机分子（ROM）封装于多壁碳纳米管（MWCNT）中，开发出高稳定性浆料阴极。研究通过光谱学和电化学表征证实材料有效性，组装电池在1 mA cm?2电流密度下实现90%理论容量利用率（最高233 mAh g?1）和千次循环稳定性，为无卤素环保型锌电池设计提供新思路。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的激增，锌基液流电池（ZFBs）因其高能量密度和低成本优势成为研究热点。然而，传统卤素阴极面临多卤化物溶解度低、毒性高和电解液交叉污染等瓶颈问题，严重制约电池性能。更令人头疼的是，有机氧化还原分子（ROM）虽具环境友好特性，却普遍存在溶解损失和电子传导率低的缺陷。如何突破这些限制，成为推动下一代锌电池发展的关键挑战。

在这一背景下，CSIR-中央盐与海洋化学品研究所（印度）膜科学与分离技术部门的Priyanka P. Bavdane团队独辟蹊径，提出将三种经典ROM——7,7,8,8-四氰基醌二甲烷（TCNQ）、氢醌（HQ）和2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）封装于多壁碳纳米管（MWCNT）的创新策略。这项发表于《Next Energy》的研究，通过巧妙的纳米限域效应，成功解决了有机阴极材料溶解与导电性难以兼顾的行业难题。

研究人员采用溶剂辅助热扩散法将ROM封装入MWCNT，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）验证分子结构完整性，场发射扫描电镜（FE-SEM）显示材料无团聚现象。电化学测试采用循环伏安法分析氧化还原特性，组装电池以Nafion?117为隔膜，在2 M NH₄Cl/0.1 M ZnBr₂电解液中评估性能。

材料表征揭示封装机制

FTIR光谱中TCNQ@MWCNT的2134 cm^?1氰基伸缩振动峰和HQ@MWCNT的3269 cm^?1羟基峰证实分子成功负载。TEM图像直接观测到ROM嵌入碳管层间，EDX分析显示元素分布均匀。特别值得注意的是，XRD显示TCNQ封装后出现12.96°和15.88°新晶面，表明锌配位环境改变。

电化学性能突破行业瓶颈

循环伏安测试显示，TCNQ@MWCNT在0.35 V（vs. Ag/AgCl）呈现显著氧化峰，峰值分离仅0.05 V，表明快速电荷转移。更令人振奋的是，实际电池测试中：

• Zn/TCNQ@MWCNT实现233 mAh g^?1初始容量，1000次循环后容量保持率达98%

• Zn/HQ@MWCNT的库仑效率（CE）稳定在99.5%，能量效率（EE）达70%

• 尽管TEMPO存在部分溶出，Zn/TEMPO@MWCNT仍保持76.3%的EE和740次循环寿命

创新性解决溶解难题

与传统溶解型阴极不同，该研究通过MWCNT物理限域作用有效抑制活性物质流失。紫外光谱证实TEMPO@MWCNT循环后电解液中仅有微量溶出，而TCNQ和HQ体系几乎无泄漏。这种"固载化液体"设计使电池在保持流动性的同时，获得接近固态电池的稳定性。

这项研究的意义不仅在于创造了性能优异的锌电池阴极材料体系，更重要的是开辟了"纳米封装-浆料电极"协同设计的新范式。通过将有机分子的高活性与碳纳米管的导电性、限域效应有机结合，研究人员成功实现了三个突破：解决低溶解度有机分子的分散难题、抑制电化学过程中的活性物质降解、避免使用有毒卤素电解质。这些发现为开发安全、高效、环保的大规模储能系统提供了切实可行的技术路线，对推动可再生能源并网具有重要应用价值。