《德国应用化学》封面文章：仿生氨基酸功能化水系有机液流电池新材料学术资讯

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随着人口增长，地球资源日渐紧缺，给人类带来日趋严峻的生存挑战；而化石能源的不可再生，迫使我们亟需大力发展清洁的可再生能源。近年来，储能技术的快速发展极大提高了可再生能源的利用率，使得以风电光伏为代表的可再生能源发电系统的成本快速降低，对减少化石能源使用、减少碳排放量提供了有效途径。然而，由于可再生能源受到地球自转及风天雨雪天气变化的影响，存在间歇波动性，这对大规模储能调节系统在安全、稳定、可靠方面提出了更高的要求。使用水作为介质的水系有机液流电池，是具有较高安全性的储能系统。近日，西湖大学王盼课题组及其合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物，赋予水系有机液流电池体系优异的稳定性。近期，这一成果作为封面文章发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202014610）。

前沿科研成果

仿生氨基酸功能化水系有机液流电池新材料

水系有机液流电池作为液流电池的一种，使用水作为介质，极大提高了储能系统的安全性。它的活性材料，来源于自然中储量丰富的碳、氮、氧等元素，这些元素在分子结构上可编辑可调节，能够通过有机官能团得失电子的氧化还原行为，完成化学能与电能的相互转化。有机分子中的多电子转移及其多样的可设计性，赋予了水系有机液流电池独特灵活的优势，使之成为液流电池发展的新趋势。

西湖大学理学院王盼课题组及其合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物，应用于水系有机液流电池体系并展现出优异的稳定性。氨基酸作为蛋白质的基本单元，是正常代谢、维持生命的基础物质，通过折叠组装构成蛋白质特定的分子结构，赋予其生物活性。研究人员创新地使用氨基酸作为功能化基团，引入到吩嗪骨架通过简单的一步偶联反应，利用氨基酸的水溶性特点及给电子特性，合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有双电子转移中心的水溶性吩嗪类衍生物（AFP）。

图1.氨基酸功能化吩嗪衍生物（AFP）的合成

研究人员系统地探究了不同支链及不同位置的氨基酸对该活性材料性能的影响，揭示了分子结构与性能的强大构效关系。同时结合核磁，高分辨质谱、CV测试等分析手段考察了该类化合物在氧化/还原状态下的稳定性。研究表明1,6-AFP具有稳定的氧化态和还原态；尽管1,8-AFP、2,7-AFP同样具有稳定的氧化态，但其还原态易于发生氢的互变异构，失去氧化还原活性并进一步降解，在电池测试中其容量迅速衰减。研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算，结合实验结果，对该类化合物的衰减机制做了详尽分析，同时对其他不同氨基酸和取代位做了系统的总结与预测。

图2.AFP的降解途径及机理

明星分子1,6-AFP在pH=8、1M电子浓度下，在水系液流电池的长时间的恒压充放循环过程中表现优异，具有极低的容量衰减（0.000002%每圈, 0.0015%每天），意味着该类液流电池体系在长时间充放电的状态下，仅表现出每年0.5%的衰减，在水系储能系统中具有强大的应用价值。该研究结果预示了氨基酸功能修饰的吩嗪化合物在水系有机液流电池中巨大的应用潜力。该研究提供了一种新型高稳定性水系有机分子结构骨架设计策略，为进一步设计构建高性能水系液流电池提供了重要理论依据。