在“碳達峰、碳中和”目標驅動下，以光伏、風電為代表的清潔可再生能源將逐漸占據(jù)能源結構主體地位。然而，這些新能源發(fā)電方式受自然條件影響，存在間歇性、波動性和不可控的缺點，嚴重制約了該類新技術的大規(guī)模應用。水系有機液流電池作為一種新型的大規(guī)模儲能技術，具有低成本、高安全、功率和容量獨立設計等特點，有望解決制約太陽能、風能等新能源技術大規(guī)模應用的瓶頸問題。
紫精類氧化還原活性分子以其成本低、水溶性高、氧化還原可逆性好等特點，是迄今用于水系有機液流電池負極活性材料的最優(yōu)選擇之一。然而，水溶性紫精分子體積較小，易在電池循環(huán)過程中穿透隔膜發(fā)生滲透；同時，還原態(tài)紫精自由基分子穩(wěn)定性差，容易發(fā)生結構異化。這些不利因素導致紫精類水系液流電池容量衰減快、服役壽命短，極大限制了其規(guī)模化應用。
針對上述問題，西安交通大學宋江選教授團隊采用分子空間結構調(diào)控策略，在紫精分子主體結構—聯(lián)吡啶環(huán)的2,2,6,6-四個位置接枝甲基，得到了一種滲透率低、穩(wěn)定性高且氧化還原電位更負的新型“棒狀”紫精分子（R-Vi）。研究人員通過二維核磁共振譜（2D-NOE）和密度泛函理論計算確證了分子空間結構。結果表明，活性中心鄰位接枝的四個甲基的電子誘導效應可顯著降低紫精分子的氧化還原電位（-0.55 V vs. SHE），是目前報道紫精分子中的最低電位。更為重要的是，該策略通過空間位阻效應改變了紫精分子的空間構型，即由未改性的“S狀”（S-Vi）變?yōu)?ldquo;棒狀”（R-Vi）。這一改變增加了紫精活性分子的尺寸（456.1 Å3增大至542.6 Å3），將分子滲透率降低至1.25×10-10cm2s-1，僅為S-Vi的14.7%。此外，“棒狀”構型對紫精還原態(tài)的二聚具有抑制作用，進一步提升了紫精的循環(huán)壽命。以R-Vi為負極，K4Fe(CN)6為正極構建的水系液流電池3200圈循環(huán)后容量保持率高達77.6%，容量衰減率僅為0.007%每圈。本文提出的分子工程修飾策略提高了紫精分子的綜合電化學性能，拓寬了有機活性材料的設計思路。
該成果以“分子空間結構調(diào)控：‘棒狀’紫精電解質助力長壽命水系有機液流電池發(fā)展”(Spatial Structure Regulation: A Rod-Shaped Viologen Enables Long Lifetime in Aqueous Redox Flow Batteries)為題發(fā)表于國際知名期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上，博士研究生李宏斌為論文第一作者，宋江選教授和范豪助理教授為通訊作者，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為論文唯一通訊單位。這也是該團隊繼前期五元環(huán)氮氧自由基、六元環(huán)哌啶類氮氧自由基、吩噁嗪類堿性蘭水性液流電池電極材料研究工作之后的又一重要進展。
該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金和西安交通大學青年拔尖人才計劃等項目資助，表征及測試工作得到西安交通大學分析測試共享中心和材料學院分析測試中心的支持。
