近日，清华大学化工系张强教授课题组在非共价作用的电化学分析及其能源电化学工程的应用领域取得研究成果。研究团队及其合作者揭示了非共价作用与电化学响应之间的定量关系，开创了非共价分析电化学交叉学科的研究范式，通过非共价作用调控实现了高能量密度电池器件的开发，展示了非共价调控在能源电化学工程中的巨大潜力。

非共价作用描述了微观世界中区别于化学键的另一种相互作用形式，为物质的结构、性质的调控引入了新的维度，因此有望在化学工程中发挥不可替代的作用。目前，非共价作用的研究极大地依赖于光谱学的表征手段，基于非共价作用与电化学的交叉学科尚未得到有效建立。这不仅限制了对非共价作用本质的深入理解，也制约了基于非共价作用的调控策略在电化学工程中的实际应用。

图1.非共价分析电化学的示意图

研究者基于紫精对苯撑与萘的超分子系统，研究了其中的电荷转移非共价相互作用在电化学行为上的响应，从理论上建立了非共价分析电化学的数学模型，并在此基础上开发了非共价电化学滴定策略，提出了基于电化学手段测量非共价作用性质的新思路。相比于传统的光谱学表征技术，非共价电化学滴定策略在测量的准确性与普适性等方面呈现出一定优势。研究者进一步基于非共价电化学滴定策略，发现了一种2：1型主客体超分子物种，展示了非共价分析电化学对超分子化学、电化学等基础研究的重大意义。

非共价作用提供了调控物质电化学性质的新维度，有望在能源电化学工程中发挥不可替代的作用。研究者基于建立的非共价分析电化学，通过引入特定强度的非共价相互作用，精准调控紫精对苯撑的电化学性质，并使之匹配转化型正极材料对氧化还原介体性质的苛刻要求，从而构筑了能量密度高达495Whkg−1的锂硫电池器件。该研究促进了超分子化学与电化学的学科交叉与学科融合，加深了对非共价相互作用本质的理解，展示了非共价调控在能源电化学工程领域的巨大潜力。

相关研究成果近日以“电池工程中的非共价分析电化学”（Analytical noncovalent electrochemistry for battery engineering）为题，发表于《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）。

图2.非共价调控策略实现高性能氧化还原介体筛选/设计的示意图

张强与美国西北大学教授弗雷泽·斯托达特（J. Fraser Stoddart）为论文通讯作者。清华大学化工系2019级博士生、美国西北大学访问学生赵长欣为论文第一作者。共同作者包括清华大学2021级博士生李西尧、美国西北大学博士后韩含等。研究得到国家自然科学基金、江阴-清华创新引领行动专项的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s44286-024-00038-0

清华大学化工系