作者:温才妃 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/18 17:24:07
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年衰减仅0.5%的水系液流电池诞生在即

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“简版”的水系液流电池系统

王盼研究员(第二排右一)带领团队探索新材料.jpg

王盼(二排右一)带领团队探索新材料。

使用水作为介质的水系有机液流电池,是具有较高安全性的储能系统。近日,西湖大学理学院王盼课题组及其合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物,赋予水系有机液流电池体系优异的稳定性(即极低的电池容量衰减)。该研究提供了一种新型高稳定性水系有机分子结构骨架设计策略,为进一步设计构建高性能水系液流电池提供了重要理论依据。近日,这一成果作为封面文章发表于化学顶刊《德国应用化学》。

在水系液流电池领域,一系列基于蒽醌、紫罗碱、二茂铁、氮杂芳环等有机结构骨架的分子,已展现了较为良好的性能和应用前景。然而,目前绝大部分研究工作都是基于商业可得的已知功能染料分子;基于吩嗪类有机结构骨架的衍生物,在前序报道仅有几个例子,均存在水溶性差和会发生化学分解(即不稳定)等问题,且该类化合物衰减机理尚不明确。

为改进现状,西湖大学的研究人员将目光投向了自然界来源广泛的氨基酸。作为蛋白质的基本单元,氨基酸是正常代谢、维持生命的基础物质,通过折叠组装构成蛋白质特定的分子结构,赋予其生物活性。研究人员创新地使用氨基酸作为功能化基团(即官能团),引入到吩嗪骨架通过简单的一步偶联反应,利用氨基酸的水溶性特点及给电子特性,合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有双电子转移中心的水溶性吩嗪类衍生物(AFP)。

氨基酸的给电子特性,降低了电池氧化还原的电势,拓宽液流电池的工作电压范围。而氨基酸的天然水溶性特点,进一步提高了液流电池的能量密度。

课题组系统地探究了吩嗪衍生物“AFP家族”的不同“成员”(即不同支链及不同位置的氨基酸),对水系液流电池性能的影响。结合核磁、高分辨质谱、CV测试等分析手段,他们考察了该类化合物在氧化/还原状态下的稳定性。

研究表明,1,6—AFP具有稳定的氧化态和还原态。尽管1,8—AFP、2,7—AFP同样具有稳定的氧化态,但其还原态易于发生氢的互变异构,失去氧化还原活性并进一步降解,在电池测试中其容量迅速衰减。研究人员通过密度泛函理论(DFT)计算,结合实验结果,对该类化合物的衰减机制做了详尽分析,同时对其他不同氨基酸和取代位做了系统的总结与预测。

明星分子1,6—AFP在pH8,1M电子浓度下,在水系液流电池的长时间的恒压充放循环过程中表现优异。在实验测试了99天之后,通过核磁及电化学手段并没有观察到任何化学分解。该液流电池具有极低的容量衰减(0.000002%每圈, 0.0015%每天),在长时间充放电的状态下,仅表现出每年0.5%的衰减——这是目前所有报道中,有机液流电池低衰减的新纪录保持者,在水系储能系统中具有强大的应用价值。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202016889

 
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