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王盼团队最新研究成果:长寿命水溶性吩嗪自由基应用于水系有机液流电
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分类:  创建于:2023-03-06 被查看:1363次
近日,西湖大学理学院王盼课题组在化学顶级期刊J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“A Long-Lived Water-Soluble Phenazine Radical Cation”的研究论文,并入选Supplementary Cover。研究团队发展了一类长寿命的水溶性吩嗪自由基化合物PSPR,该自由基化合物在水中具有1.4 M的高溶解度,在水和空气中具有极高的稳定性,在水系有机液流电池体系中展现出强大的应用潜力。博士研究生李璐为本文第一作者,化学系特聘研究员王盼为通讯作者。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12683


图片来源:J. Am. Chem. Soc.

研究背景

水系有机液流电池使用水溶性有机化合物作为储能物质、水作为介质,具有极大的储能安全性和环境友好性,其能量转换效率高、功率密度高且循环寿命长,适用于大规模场景的电化学储能,是液流电池发展的新趋势。


图1. 新型水溶性自由基化合物PSPR

自由基是具有未成对电子的化合物,通常性质不稳定,易于发生聚合、偶联或歧化等反应。水溶性有机自由基化合物在动态核极化、生物成像和能量存储等领域具有广泛的应用前景和价值。在水系有机液流储能领域,性能优异的有机负极材料报道很多,而将水溶性自由基化合物作为稳定的能量存储正极材料少有报道。

团队在水溶性吩嗪衍生物用于电化学储能方面开展了系统研究(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5289-5298; Joule 2021, 5, 2437-2449),近期对吩嗪衍生物进行了进一步的拓展和深入探索,发展了一类对水氧极度稳定的、可分离、可简单大量合成的水溶性自由基正极材料PSPR,将其与廉价金属锌进行配对,电池体系开路电压可达1.0 V,具有99.9%的库伦效率和95.5%的容量利用率,在循环2500次(约27天)后没有监测到容量衰减,展现了PSPR作为正极材料在大规模水系储能技术中的应用前景。

图2. (a) PSPR的合成 (b) PSPR粉末及其单晶结构

研究团队通过跟踪测试不同浓度下电子顺磁共振谱(EPR)和紫外-可见光谱,证明该自由基化合物在水和空气中具有极高的稳定性,EPR实验及UV-vis跟踪70天均未检测到化合物的分解。PSPR在水中具有双极性氧化还原活性,较窄的电子顺磁共振谱线宽以及磁圆二色性响应。


图3. Zn/PSPR液流电池循环测试

结合实验测试与理论计算结果,同时基于其优异的氧化还原动力学、高的溶解度,研究团队将其与廉价的锌负极电解质配对,建立了以PSPR为正极电解质的高性能水系有机液流电池。该电池体系以99.9%的库伦效率和95.5%的容量利用率,在循环2500次(约27天)后,依然保持稳定的运行与零容量衰减,在大规模水系储能技术中极具应用前景。

感谢国家自然科学基金、浙江省领军型创新创业团队、西湖大学未来产业中心和国科大杭州高等研究院对本研究的大力支持。

有机功能材料实验室

王盼实验室在有机合成化学、能源化学和材料化学交叉领域开展工作,致力于设计和发展新型有机功能材料,探索有机小分子、高分子材料在光能、电能和化学能之间的相互转化,研究其在能量转化与存储等学科前沿交叉领域的应用。发展功能性膜材料、新型储能材料,研究其在电化学反应及能量存储中的应用。
团队近期在水系液流电池储能领域取得了一定的优秀成果。以有机合成化学为手段、材料功能为导向进行分子设计与精准合成,发展了一系列吩嗪类水溶性有机储能材料应用于电化学储能。该类液流电池体系表现出长寿命、低容量衰减、安全环保等特性,在水系电化学液流储能系统中具有强大应用价值,为解决当前能源与环境问题提供基础。相关工作发表于化学和能源类顶级期刊Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等。
实验室有多个博士后岗位和博士生招生名额。欢迎具有有机化学、高分子化学、电化学、能源材料工程等相关专业,或具有电化学及光电器件相关研究背景的科研人员加入王盼团队!

联系方式:wangpan@westlake.edu.cn
课题组网站:panwanglab.westlake.edu.cn
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