8-羟基喹啉在新能源材料领域中的应用

8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline）是一种含氮杂环化合物，具有较强的配位能力、光学特性和氧化还原活性，在新能源材料领域中主要应用于电池材料、光电转换材料、催化材料等方向，其核心应用场景及作用机制如下：

一、在锂离子电池中的应用

1. 电解液添加剂

功能：8-羟基喹啉作为电解液的稳定剂或阻燃剂，改善电池安全性和循环性能。

作用机制：

通过配位作用与电解液中的金属离子（如 Li⁺、过渡金属离子）结合，抑制电极材料的溶解（如三元正极材料中 Ni²⁺、Co²⁺的溶出）。

在电极表面形成稳定的 SEI 膜（固体电解质界面膜），降低界面阻抗，提升循环寿命。

含氮杂环结构具有一定阻燃性，可降低电解液的可燃性。

案例：在高镍三元电池（NCM811）电解液中添加 0.1%~0.5% 的8-羟基喹啉，可使循环 100 次后容量保持率提升 10%~15%。

2. 正极材料改性

功能：通过表面包覆或掺杂改善正极材料的稳定性。

作用机制：

与正极材料（如 LiCoO₂、LiMn₂O₄）表面的金属离子形成螯合物，抑制电解液对正极的腐蚀。

提升正极材料的电子传导率，优化倍率性能。

方法：通过溶胶 - 凝胶法将8-羟基喹啉衍生物包覆于正极颗粒表面，或在正极制备过程中引入喹啉基团。

3. 锂金属电池保护

功能：抑制锂枝晶生长，提升锂金属电池的循环稳定性。

作用机制：

作为锂盐（如 LiPF₆）的添加剂，在锂金属表面形成均匀的人工SEI膜，引导锂离子均匀沉积。

含氮杂环的π电子体系与 Li⁺形成弱配位，降低锂离子扩散势垒，抑制枝晶生长。

二、在固态电池中的应用

1. 固态电解质界面修饰

功能：改善固态电解质与电极之间的界面接触，降低界面电阻。

作用机制：

8-羟基喹啉的羟基（-OH）和氮原子（N）可与固态电解质（如 Li₃PO₄、硫化物电解质）表面的缺陷位点结合，减少界面空隙。

通过配位作用稳定界面处的锂离子传导路径，提升整体离子电导率。

2. 复合电解质添加剂

功能：增强聚合物基复合电解质的力学性能和离子传导率。

方法：将8-羟基喹啉接枝到聚合物骨架（如 PEO）中，或与锂盐共混形成配位网络，促进锂盐解离并抑制聚合物结晶。

三、在钠离子电池 / 钾离子电池中的应用

1. 适配多价金属离子体系

功能：作为电解液添加剂适配更大半径的Na⁺、K⁺，提升电池兼容性。

作用机制：

与Na⁺、K⁺形成较弱的配位键，降低离子迁移阻力，同时抑制溶剂分子共嵌入对电极的破坏（如硬碳负极的层间结构保护）。

在正极材料（如层状氧化物 NaCoO₂）表面形成保护层，减少过渡金属溶解。

2. 有机正极材料

功能：开发基于8-羟基喹啉的有机正极材料，用于低成本电池。

原理：利用喹啉环的氧化还原活性（如 N 原子的得失电子能力），设计含多个喹啉单元的共轭分子（如喹啉聚合物），通过可逆的电子转移实现储钠 / 储钾。

优势：原料丰富、环境友好，理论比容量可达 150~200 mAh/g。

四、在钙钛矿太阳能电池中的应用

1. 界面缺陷钝化

功能：减少钙钛矿薄膜表面的缺陷（如 Pb²⁺空位），提升器件效率和稳定性。

作用机制：

8-羟基喹啉的 N 和 O 原子与钙钛矿表面的 Pb²⁺形成配位键，钝化未配位的 Pb²⁺，降低非辐射复合损失。

改善钙钛矿 / 电荷传输层（如 TiO₂、Spiro-OMeTAD）的界面接触，提升载流子提取效率。

数据：添加 0.5% 的8-羟基喹啉可使钙钛矿电池的光电转换效率（PCE）从 22% 提升至 24%，同时将湿度环境下的半衰期从 500 小时延长至 1000 小时以上。

2. 电子传输层修饰

功能：优化 TiO₂或 SnO₂电子传输层的表面能级，匹配钙钛矿的导带位置。

方法：通过溶液处理将8-羟基喹啉吸附于金属氧化物表面，调节其功函数，减少载流子传输势垒。

五、在燃料电池中的应用

1. 质子交换膜添加剂

功能：提升质子交换膜（如 Nafion 膜）的抗腐蚀能力和质子传导率。

作用机制：

喹啉环的芳香结构增强膜的机械强度，抑制酸性环境下的化学降解。

羟基（-OH）可作为质子传递的中间体，通过氢键网络辅助质子传导。

2. 氧还原反应（ORR）催化剂

功能：开发非贵金属（如 Fe、Co）-8-羟基喹啉络合物作为 ORR 催化剂，替代 Pt 基催化剂。

原理：金属 - 喹啉络合物（如 CoQ₂）的大环结构提供活性位点，通过配位金属中心促进氧气的吸附和还原，降低反应过电位。

优势：成本低、抗甲醇交叉效应，适用于直接甲醇燃料电池（DMFC）。

六、在储氢材料中的应用

1. 化学储氢催化剂

功能：作为配体与过渡金属（如 Ru、Rh）形成络合物，催化氨硼烷（NH₃BH₃）等储氢材料的释氢反应。

作用机制：

8-羟基喹啉的双齿配位（N 和 O）稳定金属中心，调节其电子结构，提升催化活性。

促进氨硼烷的水解反应，在温和条件下（如室温）实现高效产氢。

2. 储氢材料结构调控

功能：通过氢键或 π-π 堆积作用修饰多孔储氢材料（如 MOFs、COFs）的孔道结构，提升氢气吸附容量。

方法：将8-羟基喹啉作为构筑单元引入多孔材料骨架，利用其极性基团增强与 H₂分子的范德华作用力。

七、未来发展方向

分子设计优化：通过卤代（如5-氟-8-羟基喹啉）、烷基取代等改性手段，调节喹啉衍生物的配位强度、溶解度和稳定性，适配不同新能源体系。

多功能集成：开发兼具界面修饰、催化活性和光电性能的8-羟基喹啉基复合材料，如用于全固态电池的 “单一添加剂多效改性”。

环境友好性：探索生物基8-羟基喹啉衍生物的合成路径（如从生物质酚类化合物出发），降低工业生产的环境负荷。

8-羟基喹啉凭借其独特的配位能力和多功能特性，在新能源材料领域展现出广泛的应用潜力，尤其在电池界面调控、催化剂设计和光电材料改性中具有关键作用。未来通过分子工程与器件结构创新，其应用场景将进一步拓展至固态电池、新型太阳能电池和高效储氢体系等前沿领域。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/