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第一作者：Zhengnan Tian

通讯作者：Husam N. Alshareef

在这项工作中，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授等人提出了一种有效的、可持续的水氢键网络调控策略，即在电解液中加入蔗糖。通过将NH₄⁺阳离子和三氟酸盐（OTf−）阴离子与蔗糖分子在水溶液中耦合，作者构建了一个多重H−键网络。由于四配位H−键结构，NH₄⁺离子会与蔗糖分子形成弱的H−键相互作用，进而在水-蔗糖H−键网络上表现出低迁移能垒。相比之下，传统金属离子（Li⁺，Na⁺和K⁺离子）则受到蔗糖配位的阻碍。这种多H−键网络设计使NH₄⁺离子的离子迁移速度加快（离子电导率是K⁺和Na⁺离子的1.5倍，离子电导率是Li⁺离子的3.75倍），并显著抑制了水分解（HER和OER）。通过使用商业3、4、9、10-Perylenebis（dicarboximide）（PTCDI）为负极，铜铁普鲁士蓝类似物（CuHCF）为正极，组装的NH₄⁺离子全电池具有2.2 V的宽电压窗口和41.5 Wh kg⁻¹的能量密度。本研究为水系铵离子电池的实际应用提供了一种新的电解液调控策略。

图1 （a）水分子、盐和添加剂在不同组成的电解液中的相互作用示意图（O：红色；H：黄色；N：蓝色；F：紫色；S：橙色；C：灰色）。（b）不同的H−键网络模型示意图。（c）不同成分电解液的过电位变化（以铂板为电极）。（d）不同组成电解液的离子电导率变化（所有OTf盐的浓度均为2M；C-NH₄OTf表示25M浓度；氯盐均为0.5M浓度）。（e）添加蔗糖的电解液的离子电导率（@S表示添加蔗糖）。

图2 （a）不同电解液配方的FTIR光谱。（b）不同电解质配方的¹H NMR谱。（c）不同电解液配方的¹H NMR谱。（d）不同电解液配方的水¹⁷O核磁共振谱。（e）不同电解液配方的¹⁹F核磁共振谱。（f）电解液中存在不同的H−键类型。（g）不同电解液的DSC数据。（h）2M NaOTf@S和2M NH₄OTf@S的平衡轨迹图片。（j）Na⁺离子与蔗糖（左）和NH₄⁺离子与蔗糖（右）之间的结合能。（k）MSD数据和所计算的在2M NaOTf@S和2M NH₄OTf@S电解液内阳离子的扩散系数。

图3 （a）扫描速率为1.0 mV s⁻¹时，PTCDI负极在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液中的CV曲线。（b）电流密度为0.1 A g⁻¹时，PTCDI负极在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液中的充放电曲线。（c）PTCDI负极在2M NH4OTf@S电解液中不同电流密度下的充放电曲线。（d）扫描速率为1.0 mV s⁻¹，CuHCF正极CV曲线在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液中的CV曲线。（e）电流密度为0.1 A g⁻¹，CuHCF正极在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液中的充放电曲线。（f）CuHCF正极在2M NH₄OTf@S电解液中不同电流密度下的充放电曲线。（g）电流密度为0.1 A g⁻¹，PTCDI负极在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液的循环稳定性。（h）电流密度为0.5 A g⁻¹，CuHCF正极在2M NH₄OTf和2M NH₄OTf@S电解液中在的循环稳定性。

图4 （a）全电池配置示意图。（b）扫描速率为1 mV s⁻¹时全电池的CV曲线（红色表示PTCDI@MXene在0.2MV s⁻¹时CV，蓝色表示CuHCF在0.2MV s⁻¹时的CV）。（c）20 °C下不同电流密度下全电池的充放电曲线。（d）−20、20和60 °C时0.3 A g⁻¹电流密度下全电池的充放电曲线。（e）全电池在不同工作温度下的倍率性能。（f）全电池在不同工作温度下的循环稳定性。（g）全电池循环稳定性与最近的相关报告进行比较。

https://doi.org/10.1002/anie.202213757

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