综述：水系质子电池正极材料的研究进展

《Materials Research Bulletin》：Advancements in cathode materials for aqueous proton batteries

本综述系统总结了水系质子电池(APBs)正极材料的最新研究进展，重点探讨了金属氧化物、普鲁士蓝类似物(PBAs)和有机材料三大类材料的质子存储机制、电化学性能（容量、倍率性能、循环稳定性）及其优化策略（如纳米结构工程、异质原子掺杂和材料复合），为开发高性能APBs提供了深入见解和未来方向。

　　

Metal oxides

金属氧化物因其优异的电化学性能而备受关注，其理论比电容是碳材料的10至100倍。作为储氢电极材料，它们结构稳定，在质子嵌入和脱出过程中表现出良好的循环稳定性，是理想的电极材料。其质子存储主要依赖于过渡金属价态的变化（Mⁿ⁺/M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺），在某些情况下还涉及表面氧空位/羟基的质子吸附-脱附过程。这类材料通过过渡金属-氧多面体作为结构基元，通过M–O键形成隧道、层状或三维网络结构。

Prussian blue analogues

普鲁士蓝类似物(Prussian blue analogues, PBAs)是一类金属六氰基铁酸盐材料，其通式为A_xM_a[M_b(CN)₆]_y·zH₂O。它们以其开放的框架结构、可逆的氧化还原化学和低成本的制备方法，在各种电池体系中作为有前景的电极材料而受到越来越多的关注。其刚性开放框架由氰根桥联的过渡金属离子构成，氧化还原中心分布在M_a和M_b之间。质子主要通过晶格水和氢键网络在开放框架内进行快速且可逆的传输。例如，Li等人通过共沉淀法合成了NaMnHCF，并进行了全面的结构表征。

Organic materials

与无机材料相比，有机电极材料具有诸多优势，包括固有的可再生性、高丰度和灵活的分子设计可能性。此外，有机电极材料易于从天然来源获取，并展现出环境友好、可持续和设计多样化等优点。它们主要由C、H、O、N等轻元素组成，通过π共轭骨架或氢键网络形成分子水平的活性位点。其质子存储基于可逆的C=O/C–OH、醌/氢醌转换，以及少数涉及含氮官能团（如N=N/N–H）的可逆反应。

Summary and outlook

本综述总结了水系质子电池(Aqueous proton batteries, APBs)正极材料的最新研究进展，重点讨论了金属氧化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物等不同类型正极材料的电化学性能、优势与局限性。尽管APB正极材料的研究已取得进展，但其性能仍需进一步改善以满足实际应用的需求。材料结构与质子动力学之间复杂的相互作用被深入研究，揭示了纳米结构工程、异质原子掺杂和战略性材料复合如何带来前所未有的性能提升。未来研究机遇在于深入理解质子存储机制、开发新型高性能材料以及解决在强酸性电解质环境中的稳定性挑战。最终目标是推动电池化学的发展，使质子电池更接近实际应用。