Advanced Materials:从分子尺度看“距离产生美”

有机活性物质,由于组成元素丰度高且分子轨道能级易调控,被认为是极具前景的新一代液流电池活性材料。其中,紫精是少数中性水相条件适用的负极活性化合物,成本低廉且电化学性能优异。以往研究表明,仅利用一电子转移时,紫精基水相液流电池能实现1000圈以上的稳定循环;考虑到容量因素,近来研究人员高度关注二电子转移型紫精。紫精分子的联吡啶盐结构决定其电化学过程经历两步一电子转移,电池充放电时出现两个电压平台,不利于电池管理和应用。此外,紫精两电子还原态的路易斯碱性较强,在水相中易发生副反应从而失活。因此,探索两电子转移电位一致且电化学高度可逆的新型紫精活性物质,是当前紫精基液流电池发展的核心问题之一。

近日,来自华南理工大学的傅志勇教授和梁振兴教授课题组,在Advanced Materials上发表了题为“Phenylene‐Bridged Bispyridinium with High Capacity and Stability for Aqueous Flow Batteries”的研究论文(DOI:10.1002/adma.202005839)。他们提出采用“共轭自调控策略”进行分子结构设计,利用可旋转的苯基在空间上隔离两个吡啶盐活性中心,构建了一个可开关的共轭系统,即 1,1′-二[3-(三甲铵)丙基]-4,4′-(1,4-苯基)二吡啶盐四氯化物((APBPy)Cl4)。氧化态时共轭关闭,两个吡啶盐之间电子相互作用力弱,表现出独立的电化学行为,因此,两电子转移电位一致,简化了电池管理;还原态时共轭打开,强化电荷离域,降低二电子还原态的路易斯碱性,提升电池循环稳定性。使用0.5 M (APBPy)Cl4匹配Tempo衍生物正极,单节液流电池可提供高达1.730 V的标准电池电压和20.0 Ah L-1的体积比容量。同时,该电池在80mA cm-2电流密度下表现出80.8%的极高能量效率和优越的循环稳定性。

通讯作者简介

梁振兴教授简介:华南理工大学化学与化工学院物理化学专业教授。担任广东省电化学能源工程技术研究中心主任、广东省燃料电池技术重点实验室副主任。长期从事电化学基础与应用研究工作,具体包括:扫描电化学显微镜、纳米碰撞电化学、电池用关键材料(电催化剂、电解质)、电催化反应机理与动力学、电极荷质耦合传递过程研究等。迄今在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上发表多篇研究论文。

傅志勇教授简介:华南理工大学化学与化工学院无机化学专业教授。

傅志勇教授简介:华南理工大学化学与化工学院无机化学专业教授。担任广东省电化学能源工程技术研究中心副主任、广东省燃料电池技术重点实验室副主任。长期从事紫精类、杂多酸类化合物的光电化学特性基础与应用研究工作,具体包括:光致电子迁移型变色材料与光电催化材料、电池用无机关键材料等。迄今在Adv. Mater.,J. Mater. Chem. A, ACS Catal., Appl. Catal. B-Environ.等世界知名学术刊物上发表多篇研究论文。