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蘇軾在《飲湖上初晴后雨》中曾描繪江南美景，“水光瀲滟晴方好，山色空蒙雨亦奇。欲把西湖比西子，淡妝濃抹總相宜”。時光荏苒，三秋桂子，十里荷花，煙柳畫橋的西湖美景得以延續(xù)，依賴于我們對地球家園生態(tài)的呵護(hù)。隨著人口增長，地球資源日漸緊缺，給人類帶來日趨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)；而化石能源的不可再生，迫使我們亟需大力發(fā)展清潔的可再生能源。高效地利用可再生能源，有賴于儲能技術(shù)的發(fā)展。使用水作為介質(zhì)的水系有機液流電池，是具有較高安全性的儲能系統(tǒng)。

近日，西湖大學(xué)理學(xué)院王盼課題組及其合作團(tuán)隊發(fā)展了新型仿生設(shè)計水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機液流電池體系優(yōu)異的穩(wěn)定性（即極低的電池容量衰減）。該研究提供了一種新型高穩(wěn)定性水系有機分子結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計策略，為進(jìn)一步設(shè)計構(gòu)建高性能水系液流電池提供了重要理論依據(jù)。近期，這一成果作為封面文章發(fā)表于化學(xué)頂刊《德國應(yīng)用化學(xué)（Angew. Chem. Int. Ed.）》。王盼課題組 2020級博士研究生龐帥為第一作者、科研助理王昕怡為第二作者。

Biomimetic Amino Acid Functionalized Phenazine Flow Batteries with Long Lifetime at Near‐Neutral pH

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016889

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液流電池趨勢：水系有機液流電池

近年來，儲能技術(shù)的快速發(fā)展極大提高了可再生能源的利用率，使得以風(fēng)電光伏為代表的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的成本快速降低，對減少化石能源使用、減少碳排放量提供了有效途徑。然而，由于可再生能源受到地球自轉(zhuǎn)及風(fēng)天雨雪天氣變化的影響，存在間歇波動性（即間斷性供應(yīng)），這對大規(guī)模儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出了安全、穩(wěn)定、可靠方面更高的要求。

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)生的氧化還原反應(yīng)儲存和釋放能量。其儲存電能的容量由外部儲料罐的大小決定，使得電池的能量轉(zhuǎn)化不依賴于電極大小，而是電解液的總量。

水系有機液流電池作為液流電池的一種，它使用水作為介質(zhì)，是具有較高安全性的儲能系統(tǒng)。它的活性材料，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。有機分子中的多電子轉(zhuǎn)移及其多樣的可設(shè)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。

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大自然中的氨基酸，能否帶來“新希望”？

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。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(jié)構(gòu)骨架的衍生物，在前序報道僅有幾個例子，均存在水溶性差和會發(fā)生化學(xué)分解（即不穩(wěn)定）等問題，且該類化合物衰減機理尚不明確。

為改進(jìn)現(xiàn)狀，西湖大學(xué)的研究人員將目光投向了自然界來源廣泛的氨基酸。作為蛋白質(zhì)的基本單元，氨基酸是正常代謝、維持生命的基礎(chǔ)物質(zhì)，通過折疊組裝構(gòu)成蛋白質(zhì)特定的分子結(jié)構(gòu)，賦予其生物活性。研究人員創(chuàng)新地使用氨基酸作為功能化基團(tuán)（即官能團(tuán)），引入到吩嗪骨架通過簡單的一步偶聯(lián)反應(yīng)，利用氨基酸的水溶性特點及給電子特性，合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有雙電子轉(zhuǎn)移中心的水溶性吩嗪類衍生物（AFP）。

圖1.氨基酸功能化吩嗪衍生物（AFP）的合成

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1,6-AFP：造就年衰減僅0.5%的水系液流電池

氨基酸的給電子特性，降低了電池氧化還原的電勢，拓寬液流電池的工作電壓范圍；而氨基酸的天然水溶性特點，進(jìn)一步提高了液流電池的能量密度。

課題組系統(tǒng)地探究了吩嗪衍生物“AFP家族”的不同“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。結(jié)合核磁、高分辨質(zhì)譜、CV測試等分析手段，他們考察了該類化合物在氧化/還原狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

圖2.“簡版”的水系液流電池系統(tǒng)

研究表明，1,6-AFP具有穩(wěn)定的氧化態(tài)和還原態(tài)；盡管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。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算，結(jié)合實驗結(jié)果，對該類化合物的衰減機制做了詳盡分析，同時對其他不同氨基酸和取代位做了系統(tǒng)的總結(jié)與預(yù)測。

圖3.AFP的降解途徑及機理

明星分子1,6-AFP在pH8,1M電子濃度下，在水系液流電池的長時間的恒壓充放循環(huán)過程中表現(xiàn)優(yōu)異。在實驗測試了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（0.000002%每圈, 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——這是目前所有報道中，有機液流電池低衰減的新紀(jì)錄保持者，在水系儲能系統(tǒng)中具有強大的應(yīng)用價值。

圖4. 1 M 1,6-AFP (pH 8) 的電池循環(huán)表現(xiàn)

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有機高分子材料實驗室：瞄準(zhǔn)“新材料”

本項研究是西湖大學(xué)理學(xué)院特聘研究員王盼，帶領(lǐng)有機高分子材料實驗室取得的第一個課題成果。

事實上，在西湖大學(xué)，王盼正在帶領(lǐng)團(tuán)隊“闖”入一片片對她自己而言也十分嶄新的領(lǐng)域。在2019年11月加入西湖大學(xué)理學(xué)院、成為博導(dǎo)之前，王盼主要做的是金屬有機化學(xué)研究，即利用金屬有機催化劑研究手性化合物的合成，面向新藥、新材料的開發(fā)——在麻省理工學(xué)院從事博士后期間，王盼接觸到了更多具有不同結(jié)構(gòu)和功能的有機新材料，這段工作也為現(xiàn)在的科研“打開了視野”。

圖5.王盼研究員（第二排右一）帶領(lǐng)團(tuán)隊探索新材料

現(xiàn)如今，王盼作為實驗室的“掌舵者”，基于自己的經(jīng)驗，帶領(lǐng)大家駛向了“學(xué)科交叉”新方向：“以合成化學(xué)為工具，發(fā)展新材料，是實驗室目前的主要研究方向?！蹦壳?，這個實驗室正在有機合成化學(xué)、能源化學(xué)和材料化學(xué)交叉領(lǐng)域開展工作，設(shè)計和發(fā)展新材料，從分子水平對有機材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾及物化性能調(diào)控。

在本次合成的新型仿生設(shè)計水溶性吩嗪類化合物的課題中，盡管研究恰逢新冠疫情的大背景，遇到了諸如實驗設(shè)備和器材的零部件難以從海外運輸回國的問題，團(tuán)隊依然在僅半年的時間里取得了突破。第一作者、實驗室的首位博士生，也是新近加入西湖大學(xué)的2020級博士生龐帥回憶，研究中也曾遇到了材料合成困難、產(chǎn)物不穩(wěn)定、測試裝置搭建等方面的難題。專業(yè)為有機化學(xué)背景的龐帥，同樣是第一次接觸電化學(xué)領(lǐng)域，此時，導(dǎo)師的指導(dǎo)給了他極大的幫助：“包括化學(xué)物合成、電池設(shè)備設(shè)計、測試方面的工作，如果沒有老師的指導(dǎo)，是肯定做不出來的。”

眼下，王盼實驗室正在找尋更多具有有機合成功底、光電材料及能源背景的多學(xué)科新鮮力量加入。

研究團(tuán)隊簡介

王盼課題組致力于在有機合成化學(xué)、能源化學(xué)和材料化學(xué)交叉領(lǐng)域開展工作，致力于設(shè)計和發(fā)展新材料，從分子水平對有機材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾及物化性能調(diào)控。（1）針對多功能化的、手性發(fā)光性能的、具有磁-光等刺激響應(yīng)的手性有機高分子材料展開基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)。（2）發(fā)展具有氧化還原活性的新型儲能材料，研究其在電化學(xué)反應(yīng)及儲能設(shè)備中的應(yīng)用。

課題組有多個博士后位置和博士招生名額。歡迎具有有機合成背景、光電材料及能源背景的科研人員加入王盼團(tuán)隊！

課題組網(wǎng)站：
????https://panwanglab.westlake.edu.cn

簡歷請投遞至：
????wangpan@westlake.edu.cn。

參考資料

[1] 利用氨基酸實現(xiàn)高儲能丨西湖大學(xué)王盼實驗室最新成果登上《德國應(yīng)用化學(xué)》封面,https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/academics/202101/t20210118_7984.shtml