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近年來，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源技術(shù)快速發(fā)展，然而這些發(fā)電方式受自然因素影響較大，具有明顯的隨機(jī)性和波動(dòng)性，目前棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象凸顯。儲(chǔ)能技術(shù)是將隨機(jī)波動(dòng)能源變?yōu)橛押媚茉吹年P(guān)鍵，其技術(shù)變革對(duì)推動(dòng)能源革命具有重要意義。水系有機(jī)液流電池以水溶性有機(jī)氧化還原活性分子作為電解質(zhì)，其安全性高、成本低廉、性能易于調(diào)控且對(duì)環(huán)境友好，是一種極具發(fā)展前景的新型大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。在眾多液流電池有機(jī)活性物質(zhì)中，氮氧自由基類活性材料原料豐富、價(jià)廉易得且具有相對(duì)較高的氧化還原電位（＞0.8 V vs. RHE），是一種綜合性能優(yōu)異的正極材料。然而，在充放電過程中氮氧自由基類分子易于發(fā)生副反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量快速衰減，使用壽命縮短。此外，活性物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)尚不清晰，在分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也缺乏理論指導(dǎo)。


針對(duì)上述問題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院宋江選教授團(tuán)隊(duì)從分子結(jié)構(gòu)調(diào)控入手，設(shè)計(jì)合成了五元環(huán)吡咯類氮氧自由基衍生物，結(jié)合密度泛函理論模擬及實(shí)驗(yàn)分析，首次揭示了該類分子氧化還原電位與N-O自由基端電荷布局之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。相比于傳統(tǒng)的六元環(huán)氮氧自由基活性物質(zhì)，五元環(huán)雙鍵結(jié)構(gòu)吡咯啉氮氧自由基（CPL）的氧化還原電位高達(dá)0.96 V (vs. RHE)，所組裝水系有機(jī)液流全電池CPL/BTMAP-Vi展現(xiàn)出1.31 V的開路電壓，在500次充放電循環(huán)內(nèi)容量保持率高達(dá)99.96％/圈。這一研究工作極大拓展了氮氧自由基衍生物的選擇范圍，為此類材料在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果以“Five-Membered Ring Nitroxide Radical: A New Class of High-Potential, Stable Catholyte for Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials。課題組博士研究生胡博和助理教授范豪為共同第一作者，宋江選教授為唯一通訊作者，西安交通大學(xué)為論文唯一通訊作者單位。這也是該團(tuán)隊(duì)在繼前期六元環(huán)哌啶類氮氧自由基（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 39, 43568）和吩噁嗪類堿性蘭（Chem. Commun., 2020, 56, 13824）水性液流電池電極材料研究工作之后的又一重要進(jìn)展。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、西安交大青年拔尖人才計(jì)劃、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃和國(guó)家高層次人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。論文中化合物材料的表征及測(cè)試得到了西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心、金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的大力支持。 

原標(biāo)題：西安交大科研人員在大規(guī)模儲(chǔ)能水系有機(jī)液流電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展