第一作者：李倩

通讯作者：庞欢教授

通讯单位：扬州大学化学化工学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202507951

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本研究通过设计含不同取代位点（1,2-/1,4-/1,5-）和官能团（-OH/-NH₂）的蒽醌类配体（DHAQ/DAAQ），与Mn²⁺配位构建出六种锰基金属有机配位体（MnMOCs），用于水系锌离子电池（AZIBs）。其中，Mn-1,4-DHAQ由于其对称的1,4-羟基结构和拓展的π共轭体系，展现出优异的电化学性能。通过原位/非原位表征和理论计算，揭示了其独特的双活性位点储能机制。此外，本研究引入机器学习模型，系统预测了电解液浓度、电极厚度与比容量的关系，为能量材料优化提供方法学支持。Mn-1,4-DHAQ还被成功应用于软包电池、凝胶电解质器件与丝网印刷柔性设备中，表现出优异的机械适应性和实际应用潜力，为高性能、柔性储能器件的发展提供了新策略。

背景介绍

AZIBs因高安全性、低成本和环境友好性被视为下一代储能体系的重要候选。然而，AZIBs的发展受到传统无机正极材料的限制：如普鲁士蓝类似物容量低、锰基氧化物循环寿命差、钒基化合物存在毒性风险等。相比之下，有机材料由于其结构多样性、可持续性和可设计性成为替代方案。但小分子有机正极在水系电解液中易溶解、容量衰减快、循环寿命短，因此亟需构建兼具丰富活性与结构稳定性的新型有机正极材料体系。为解决上述问题，本文通过将蒽醌类配体与金属离子（Mn²⁺）配位形成稳定结构。构建的MOC具有出色的结构稳定性，为开发高性能、正极材料提供新路径。该研究旨在构建稳定且高性能的MOC正极材料，并结合机器学习与理论计算手段，系统提升AZIBs的性能与应用前景。

研究出发点

1）明确了取代位点和官能团对MOC材料电化学性能的关键影响。

2）推动了MOC类材料在柔性可穿戴储能器件中的实际应用发展。

图文解析

使用1,X-DHAQ/DAAQ（X = 2、4、5）为配体，系统合成了六种MnMOCs，并通过溶剂热法成功制备。分子表面静电势分析表明，所有蒽醌类配体在苯环骨架上具有较高负电势，-OH基团周围的电子密度高于-NH₂，这有利于与Mn²⁺配位并增强金属与配体之间的协同作用，从而提高材料的结构稳定性。扫描电镜和透射电镜结果显示，MnMOCs具有三维层状花状结构，有助于增大比表面积并加快Zn²⁺的传输。

图1. MnMOCs的合成路线以及电镜图片

通过密度泛函理论计算发现，DHAQ配体尤其是1,4DHAQ拥有最低的LUMO能级和最窄的带隙；实验表征表明，-OH配体的MnMOCs在水中具有更低的Zeta电位和更高的电导率，促进了对Zn²⁺电子的快速传输；氮吸附测试显示Mn-1,4-DHAQ具有大的比表面积与孔体积；XPS、XANES与EXAFS分析一致表明Mn主要以+2价态存在。

图2. MnMOCs的结构表征

在系统测试了六种MnMOCs的电化学性能，循环伏安曲线（0.8–1.8  V）均出现了Mn活性中心的氧化还原峰，而含DHAQ配体的材料在0.3–0.8  V区间还额外的化还原峰，表明-OH基团与Mn双活性位点协同提升了性能；DAAQ材料在同电位区间无此信号。其中，Mn-1,4-DHAQ表现出极佳的循环性能和倍率性能。

图3. MnMOCs的电化学性能研究

通过原位UV–vis和XRD监测Mn-1,4-DHAQ在充放电过程中的结构变化，发现267  nm吸收峰强度恒定、6.8°XRD峰位可逆移动，表明其蒽醌骨架未发生分解且可实现Zn²⁺可逆嵌入/脱出；多维表征揭示了Mn1,4DHAQ的“双活性位点”储能机理：0.3–0.8  V区间以O元素为主的氧化还原，0.8–1.8  V区间以Mn为主的氧化还原。

图4. MnMOCs的电化学性能机理研究

利用正交展开法建立了针对电解液浓度、涂层厚度和电流密度的比容量预测模型，结果表明在0.3 A·g^-1和1.0 A·g^-1两种工况下，适中涂层厚度配合2 M  ZnSO₄·7H₂O电解液可兼顾极化抑制与离子扩散，从而获得较高比容量；模型拟合与实验数据高度吻合，Spearman相关分析进一步验证了两种电流下容量的显著统计关联（P = 3.52×10^-8）。随后，DFT计算揭示了Mn-1,4-DHAQ优于Mn-1,4-DAAQ的原因：其O原子附近负电势区为Zn²⁺吸附提供优先位点，费米面附近的电子态密度更高且带隙更小（0.454 eV vs. 0.691 eV），共同解释了其卓越的电化学导电性和储能性能。

图5. 机器学习探究以及理论计算分析

随着柔性可穿戴电子技术的发展，本研究将Mn-1,4-DHAQ应用于多种柔性储能器件，验证其优异的机械与电化学性能。将其组装成软包电池后，在弯曲或针刺情况下依然能输出稳定电压，并能驱动小风扇和智能手环。即使扩展为14 cm×14 cm大面积电池，电压也未受影响。采用凝胶电解质时，串联后的柔性器件可持续为定时器供电60 分钟；利用丝网印刷技术将Mn-1,4-DHAQ制备在PET或PI上，制成可穿戴柔性电极，弯折后仍可点亮LED。上述结果表明，凭借层状花簇结构、π共轭框架和多重活性位点，Mn-1,4-DHAQ在柔性可穿戴储能器件领域具有广阔应用前景。

图6. MnMOCs应用在实际应用

总结与展望

本研究通过设计并合成六种不同取代位点（1,2-/1,4-/1,5-）与官能团（-OH/-NH₂）组合的蒽醌类配体制备为MnMOCs，系统揭示了配体结构对材料电子性质、孔隙特征和电化学行为的关键影响。DFT与一系列原位/非原位表征表明，1,4-DHAQ配体凭借最低的LUMO能级、最窄带隙以及多重活性位点，实现了高效的电子/离子传输与双活性位点储能机制。电化学测试中，Mn-1,4-DHAQ比同类材料显著提升；其优异的倍率性能、超长循环寿命和机械稳定性通过软包电池、凝胶电解质和丝网印刷柔性器件的应用得以验证。此外，研究首次引入机器学习正交展开模型，高精度预测了电解液浓度、电极厚度与比容量的关系，为优化实验条件提供了新思路。该工作不仅深化了有机配体设计与金属配位结构之间的结构–性能关联，也为高性能、柔性可穿戴储能器件的发展开辟了新路径。

团队招聘

全职博士后招聘

1. 应聘条件：

（1）纳米化学、配位化学、电化学和生物材料等研究方向，近2年取得或即将取得博士学位；

（2）有较好的研究基础和英语基础，原则上需以第一作者在SCI期刊上发表研究论文2篇或IF〉5.0或一区研究论文1篇；

（3）具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神。

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2. 岗位待遇：

（1）年薪25-30万元（税前）在站期间按照有关规定参加社会保险，缴存住房公积金、新房补帖；

（2）可按规定租住学校教职工宿舍，也可领取住房补助；

（3）提供必要的科研条件，博士后可作为负责人申请国家自然科学基金、中国博士后科学基金及江苏省博士后科研资助等项目；

（4）在站期间，根据研究项目需要，可以申请到国（境）外参加国际学术会议或进行短期学术交流、科研合作；

（5）可申报研究系列专业技术职务；

（6）优秀推荐申请江苏省卓越博士后计划项目，30万（叠加工资）。

3. 工作任务：在站工作期限一般为24个月，如特别优秀的经本人书面申请、导师同意、校博士后管理办公室审核后可适当延长在站时间，延长时间最长不超过1年，延长期内正常发放工资。在站期间需完成下列工作任务：

（1）在站期间至少在学院及以上范围公开进行2次学术报告；

（2）获国家或江苏省博士后科研资助项目1项，或作为主要研究人员参与合作导师主持的国家级科研项目1项；

（3）在SCI来源期刊上发表2篇学术论文或1篇一区以上学术论文（以Online为准），论文需以博士后为第一作者，扬州大学为第一署名单位。

4. 联系方式：请发送个人简历、主要研究成果等相关资料到：panghuan@yzu.edu.cn；huanpangchem@hotmail.com

庞欢课题组介绍：https://www.x-mol.com/groups/panghuan

原文信息

Li, Q., Zhang, Y., Feng, W., Huang, J., Wei, S., Chen, G., Liu, Y., Du, M., Yin, C., Yang, Z., Sun, Y., Cao, S., Pei, C., Chen, H., & Pang, H. Manganese-Based Metal-Organic Coordination for Aqueous Zinc–Ion Batteries With Varying Mechanical Adaptability and Machine Learning–Assisted Performance Decoding. Adv. Mater. 2025, 2507951.