記者1月20日從西湖大學(xué)了解到，西湖大學(xué)理學(xué)院特聘研究員王盼課題組及其合作團(tuán)隊(duì)利用氨基酸發(fā)展了新型仿生設(shè)計(jì)水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機(jī)液流電池體系極低的電池容量衰減。

該研究提供了一種新型高穩(wěn)定性水系有機(jī)分子結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì)策略，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)建高性能水系液流電池提供了重要理論依據(jù)。這一最新成果日前作為封面文章發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》期刊。

安全性較高的儲能系統(tǒng)

“作為液流電池的一種，水系有機(jī)液流電池使用水作為介質(zhì)，是具有較高安全性的儲能系統(tǒng)。”王盼說，液流電池可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲存，它通過活性物質(zhì)在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)來儲存和釋放能量。

研究人員介紹，水系有機(jī)液流電池的活性材料，來源于自然中儲量豐富的碳、氮、氧等元素，這些元素在分子結(jié)構(gòu)上可編輯可調(diào)節(jié)，能夠通過有機(jī)官能團(tuán)得失電子的氧化還原行為，完成化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。

而有機(jī)分子中的多電子轉(zhuǎn)移及其多樣的可設(shè)計(jì)性，賦予了水系有機(jī)液流電池獨(dú)特靈活的優(yōu)勢，使之成為液流電池發(fā)展的新趨勢。

“在水系液流電池領(lǐng)域，一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環(huán)等有機(jī)結(jié)構(gòu)骨架的分子，已展現(xiàn)了較為良好的性能和應(yīng)用前景。”王盼說，然而，目前絕大部分研究工作都是基于商業(yè)可得的已知功能染料分子;基于吩嗪類有機(jī)結(jié)構(gòu)骨架的衍生物，在前序報(bào)道中僅有幾個(gè)例子，均存在水溶性差和不穩(wěn)定等問題，且該類化合物衰減機(jī)理尚不明確。

低衰減的新紀(jì)錄保持者

為改進(jìn)現(xiàn)狀，西湖大學(xué)研究人員將目光投向自然界來源廣泛的氨基酸。

該課題組將氨基酸作為功能化基團(tuán)引入吩嗪骨架，利用氨基酸的水溶性特點(diǎn)及給電子特性，合成了一系列水溶性吩嗪類衍生物(AFP)。之后，研究人員系統(tǒng)地探究了“AFP家族”不同成員——即不同支鏈及不同位置的氨基酸——對水系液流電池性能的影響。

“研究表明，1,6-AFP具有穩(wěn)定的氧化態(tài)和還原態(tài);1,8-AFP、2,7-AFP同樣具有穩(wěn)定的氧化態(tài)，但其還原態(tài)易于發(fā)生氫的互變異構(gòu)，失去氧化還原活性并進(jìn)一步降解，在電池測試中其容量迅速衰減。”王盼介紹。

課題組還對該類化合物的衰減機(jī)制做了詳盡分析。研究發(fā)現(xiàn)，明星分子1,6-AFP在pH8,1M電子濃度下，在水系液流電池長時(shí)間的恒壓充放循環(huán)過程中表現(xiàn)優(yōu)異。

“在實(shí)驗(yàn)測試99天之后，通過核磁及電化學(xué)手段并沒有觀察到任何化學(xué)分解。該液流電池具有極低的容量衰減(0.0015%每天)，在長時(shí)間充放電的狀態(tài)下，僅表現(xiàn)出每年0.5%的衰減。”王盼說。

研究人員表示，這是目前所有報(bào)道中，水系有機(jī)液流電池低衰減的新紀(jì)錄保持者，在水系儲能系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。