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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，依賴于我們對地球家園生態的呵護。隨著人口增長，地球資源日漸緊缺，給人類帶來日趨嚴峻的生存挑戰；而化石能源的不可再生，迫使我們亟需大力發展清潔的可再生能源。高效地利用可再生能源，有賴于儲能技術的發展。使用水作為介質的水系有機液流電池，是具有較高安全性的儲能系統。

近日，西湖大學理學院王盼課題組及其合作團隊發展了新型仿生設計水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機液流電池體系優異的穩定性（即極低的電池容量衰減）。該研究提供了一種新型高穩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。近期，這一成果作為封面文章發表于化學頂刊《德國應用化學（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，儲能技術的快速發展極大提高了可再生能源的利用率，使得以風電光伏為代表的可再生能源發電系統的成本快速降低，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及風天雨雪天氣變化的影響，存在間歇波動性（即間斷性供應），這對大規模儲能調節系統提出了安全、穩定、可靠方面更高的要求。

液流電池可以將電能轉化為化學能進行儲存，它通過活性物質在電極表面發生的氧化還原反應儲存和釋放能量。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，是具有較高安全性的儲能系統。它的活性材料，來源于自然中儲量豐富的碳、氮、氧等元素，這些元素在分子結構上可編輯可調節，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化。有機分子中的多電子轉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勢，使之成為液流電池發展的新趨勢。

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大自然中的氨基酸，能否帶來“新希望”？

在水系液流電池領域，一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環等有機結構骨架的分子，已展現了較為良好的性能和應用前景。然而，目前絕大部分研究工作都是基于商業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，在前序報道僅有幾個例子，均存在水溶性差和會發生化學分解（即不穩定）等問題，且該類化合物衰減機理尚不明確。

為改進現狀，西湖大學的研究人員將目光投向了自然界來源廣泛的氨基酸。作為蛋白質的基本單元，氨基酸是正常代謝、維持生命的基礎物質，通過折疊組裝構成蛋白質特定的分子結構，賦予其生物活性。研究人員創新地使用氨基酸作為功能化基團（即官能團），引入到吩嗪骨架通過簡單的一步偶聯反應，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，進一步提高了液流電池的能量密度。

課題組系統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。結合核磁、高分辨質譜、CV測試等分析手段，他們考察了該類化合物在氧化/還原狀態下的穩定性。

圖2.“簡版”的水系液流電池系統

研究表明，1,6-AFP具有穩定的氧化態和還原態；盡管1,8-AFP、2,7-AFP同樣具有穩定的氧化態，但其還原態易于發生氫的互變異構，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。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算，結合實驗結果，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的總結與預測。

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過程中表現優異。在實驗測試了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（0.000002%每圈, 0.0015%每天），在長時間充放電的狀態下，僅表現出每年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錄保持者，在水系儲能系統中具有強大的應用價值。

圖4. 1 M 1,6-AFP (pH 8) 的電池循環表現

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有機高分子材料實驗室：瞄準“新材料”

本項研究是西湖大學理學院特聘研究員王盼，帶領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，王盼正在帶領團隊“闖”入一片片對她自己而言也十分嶄新的領域。在2019年11月加入西湖大學理學院、成為博導之前，王盼主要做的是金屬有機化學研究，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——在麻省理工學院從事博士后期間，王盼接觸到了更多具有不同結構和功能的有機新材料，這段工作也為現在的科研“打開了視野”。

圖5.王盼研究員（第二排右一）帶領團隊探索新材料

現如今，王盼作為實驗室的“掌舵者”，基于自己的經驗，帶領大家駛向了“學科交叉”新方向：“以合成化學為工具，發展新材料，是實驗室目前的主要研究方向。”目前，這個實驗室正在有機合成化學、能源化學和材料化學交叉領域開展工作，設計和發展新材料，從分子水平對有機材料進行結構修飾及物化性能調控。

在本次合成的新型仿生設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，遇到了諸如實驗設備和器材的零部件難以從海外運輸回國的問題，團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、產物不穩定、測試裝置搭建等方面的難題。專業為有機化學背景的龐帥，同樣是第一次接觸電化學領域，此時，導師的指導給了他極大的幫助：“包括化學物合成、電池設備設計、測試方面的工作，如果沒有老師的指導，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科新鮮力量加入。

研究團隊簡介

王盼課題組致力于在有機合成化學、能源化學和材料化學交叉領域開展工作，致力于設計和發展新材料，從分子水平對有機材料進行結構修飾及物化性能調控。（1）針對多功能化的、手性發光性能的、具有磁-光等刺激響應的手性有機高分子材料展開基礎研究及應用開發。（2）發展具有氧化還原活性的新型儲能材料，研究其在電化學反應及儲能設備中的應用。

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隊！

課題組網站：
????https://panwanglab.westlake.edu.cn

簡歷請投遞至：
????wangpan@westlake.edu.cn。

參考資料

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