随着全球对可持续能源和碳中和目标的追求，大规模储能系统的需求日益迫切。水系质子电池因其成本低、安全性高和环境友好等优点，被视为极具潜力的储能解决方案。然而，设计高性能的MXene质子电池并非易事，主要挑战包括不可避免的析氢反应、MXene复杂的化学组成空间以及尚不明确的质子传输机制。

近日，香港城市大学的范俊教授和韩健教授取得了一项突破性进展。他们基于MXene的结构单元，提出了八面体净电荷（Qoct-s）的通用描述符。这一描述符与HER活性、电池容量和质子传输性能有着良好的相关性。

研究团队通过密度泛函理论计算，深入探究了MXene的结构和电荷特性。他们发现，MXene的物理化学性质与其八面体单元的电子和结构特性密切相关。具体来说，MXene的八面体净电荷值不仅决定了其电子转移特性，还影响了质子的吸附能力和析氢反应性能。通过这一描述符，研究人员预测氮功能化MXene存在双质子存储机制。此外，该描述符的准确性在更广泛的MXene化学空间中得到了验证。

在质子传输性能方面，研究揭示了MXene的化学组成对质子传输的影响。通过在MXene层间插入水分子，质子能够基于Grotthuss机制通过水分子间的氢键网络快速传输。研究发现，MXene的Qoct-s值对水合氢键网络的拓扑转变能垒有显著影响，进而影响质子传输性能。具体来说，Qoct-s值接近零的MXene与水溶液的相互作用适中，具有较高的界面质子交换频率，有利于质子传输。

总之，该工作不仅提供了一种高效的设计MXene质子电池的策略，而且通过建立可靠描述符，为理解和预测MXene的电化学性能提供了重要的理论基础。这一成果有望推动水系质子电池技术的发展，为实现可持续能源存储提供新的见解。

Employing Octahedral Net Charge Descriptors for Designing High-Performance Aqueous Proton Batteries

Jun Zhao, Ninggui Ma, Yuhang Wang, Zhaowei Wang, Tairan Wang, Bochun Liang, Yaqin Zhang, Jian Han, Chunyi Zhi, Jun Fan

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202421224