該研究提供了一種新型高穩(wěn)定性水系有機分子結構骨架設計策略,為進一步設計構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《德國應用化學》期刊。
水系有機液流電池,發(fā)展新趨勢
“作為液流電池的一種,水系有機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)化為化學能進行儲存,它通過活性物質(zhì)在電極表面發(fā)生氧化還原反應來儲存和釋放能量。
西湖大學理學院特聘研究員王盼(第二排右一)及其團隊
研究人員介紹,水系有機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,這些元素在分子結構上可編輯可調(diào)節(jié),能夠通過有機官能團得失電子的氧化還原行為,完成化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化。
而有機分子中的多電子轉(zhuǎn)移及其多樣的可設計性,賦予了水系有機液流電池獨特靈活的優(yōu)勢,使之成為液流電池發(fā)展的新趨勢。
“在水系液流電池領域,一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環(huán)等有機結構骨架的分子,已展現(xiàn)了較為良好的性能和應用前景。” 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;基于吩嗪類有機結構骨架的衍生物,在前序報道中僅有幾個例子,均存在水溶性差和不穩(wěn)定等問題,且該類化合物衰減機理尚不明確。
氨基酸功能化吩嗪衍生物(AFP)的合成
年衰減0.5%,水系有機液流電池新紀錄
為改進現(xiàn)狀,西湖大學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引入吩嗪骨架,利用氨基酸的水溶性特點及給電子特性,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。
“簡版”水系液流電池系統(tǒng)
“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,失去氧化還原活性并進一步降解,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間的恒壓充放循環(huán)過程中表現(xiàn)優(yōu)異。
1 M 1,6-AFP (pH 8) 的電池循環(huán)表現(xiàn)
“在實驗測試99天之后,通過核磁及電化學手段并沒有觀察到任何化學分解。該液流電池具有極低的容量衰減(0.0015%每天),在長時間充放電的狀態(tài)下,僅表現(xiàn)出每年0.5%的衰減。”王盼說。
原標題:年衰0.5%!利用氨基酸創(chuàng)造儲能新紀錄