氧化还原活性聚合物电极组成的全聚合物水系电池被认为是安全清洁的可再生储能器件。然而，在水系电解质狭窄的电化学窗口中，同时实现大电流倍率和高输出电压仍然存在巨大挑战。

图1 全有机聚合物质子电池结构组成

  近期，吉林大学晁单明/贾晓腾教授团队受生物分子儿茶酚启发，通过将聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）与氧化还原分子儿茶酚吊坠接枝制备了一种赝电容型聚合物正极材料，通过与扩散型聚合物负极匹配，该质子电池可提供0.72 V的输出电压（图1），出色的倍率容量（从 0.5 到 25 A g^-1 的容量保持率为 64.8%）和循环稳定性（2 A g^-1 下 1000 次循环后容量保持率为 80%）。并通过对聚合物正极的非原位谱学（FT-IR, Raman, XPS）表征，结合DFT理论计算详细阐明聚合物内部质子储存机制。这项研究为高性能水系质子电池聚合物电极提供了精细设计。该工作以“Bioinspired Catechol-Grafting PEDOT Cathode for an All-Polymer Aqueous Proton Battery with High Voltage and Outstanding Rate Capacity”为题发表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2021, 2103896）。文章第一作者是吉林大学博士生朱梅华。该研究得到国家自然科学基金和国家博士后基金的支持。

图2 儿茶酚正极非原位光谱表征

图3 儿茶酚单体DFT理论计算

  在这项工作中，作者使用基于儿茶酚的聚合物正极与基于蒽醌的聚合物负极开发了一种具有优异电化学性能的全聚合物水系质子电池。非原位光谱（FT-IR, Raman和XPS）证实了儿茶酚在充放电不同阶段中C-OH与C=O的可逆变化，以及PEDOT主链的阴离子嵌入过程（图2）。结合DFT理论计算，通过将儿茶酚基团引入PEDOT骨架，产生显著的电子离域，氧化还原侧基与共轭骨架的电子云分离有利于实现赝电容电荷存储，从而实现优异的倍率性能。此外，羰基位置的氧原子静电势能为负，表明具有强的给电子能力来结合质子（图3）。通过非原位谱学表征和DFT计算加深了对于醌式聚合物电极中质子存储机制的理解，突出了合理设计高性能聚合物电极用于可持续储能系统的的可行性。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103896