SmartMat|综述：水液流电池中有机氧化活性材料的发展:当前策略和未来展望
学术
科技
2024-09-06 09:30
天津
Mingguang Pan, Minhua Shao, Zhong Jin. Development of organic redox-active materials in aqueous flow batteries: current strategies and future perspectives. SmartMat. 2023; 4:e1198.
https://doi.org/10.1002/smm2.1198
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水氧化还原液流电池是一种很有前途的电网储能技术，它利用溶解在不可燃水溶液中的氧化还原活性分子作为电解质。有机氧化活性材料具有潜在的低成本、广泛的结构多样性、可调节的电化学性能和高天然丰度等优点，为构建先进的液流电池提供了新的机遇。本文综述了用于水相有机氧化还原液流电池(AORFBs)的有机氧化还原活性材料的出现和发展，重点介绍了有机氧化还原活性分子的分子工程概念和策略。概述并讨论了基于有机氧化还原物质的高容量、高稳定性和高电压主动脉AORFBs的典型设计策略。高水溶性、高化学/电化学稳定性、多电子数以及氧化还原对之间满意的氧化还原电位差的有机氧化还原活性分子的分子工程是实现高性能AORFBs的关键。在分子工程之外，氧化还原靶向策略是获得高容量主动脉内皮细胞的有效途径。基于一系列电化学和光谱方法，我们进一步讨论和分析了有机氧化还原物质的氧化还原反应机理，并简要总结了aorfb的容量退化机理。此外，还详细介绍了有机氧化活性材料用于主动脉fb的挑战、机遇和未来发展方向。
图 1. 水相有机氧化还原液流电池(AORFBs)的典型有机氧化还原种类(括号:氧化还原电位与标准氢电极(SHE)，除非另有说明;红色、浅蓝色和藏蓝色分别表示pH值为酸性、中性和碱性环境)。图 2. 一种典型的有机氧化还原液流电池(AORFB)，其有机氧化还原活性物质溶解在水电解质中。
方案 1. 一些典型有机氧化还原活性材料的分子结构、电子转移数和溶解度。在括号中总结了电子转移数(n)和分子在水或水溶液中的溶解度。
图 3. (A)非那嗪衍生物(7,8‐二羟基非那嗪‐2‐磺酸[DHPS]、7,8‐二羟基非那嗪‐2‐羧酸、2,3‐二羟基非那嗪和非那嗪)的结构和(B)循环伏安曲线以及(C, D) 1.4 mol/L DHPS的电池性能。Copyright 2018, Springer Nature.图 4. (A)对称和不对称铁配合物(M4[FeII(Dcbpy)3]，M4[FeII(Dcbpy)2(CN)2, M4[FeII(Dcbpy)4]，M4[FeII(CN)6]，M=K或Na)的分子结构和(B)水溶性。(C,D)分别为0.1和1.02 mol/L Na4[FeII(Dcbpy)2(CN)2]的循环电池性能。Copyright 2021, Springer Nature.
图 5.(A)蒽醌类物质(9,10-蒽醌-2,7-二磺酸二钠盐[AQDS(NH4)2]、9,10-蒽醌-2,7-二磺酸二钠盐[AQDSNa2]、9,10-蒽醌-2-磺酸铵盐[AQSNH4]和9,10-蒽醌-2-磺酸钠盐[AQSNa])的分子结构和(B)溶解度，(C) AQDS(NH4)2的电池性能，(D)所选AQ基水相有机氧化还原液流电池(AORFBs)的能量密度和容量保持比较。Copyright 2019, Wiley.
图 6. (A)阳极槽中装载固体容量增强材料的氧化还原靶基氧化还原液流电池(RFB)的结构示意图。(B) 1,5-二羟基蒽醌(1,5-DHAQ)和聚蒽醌基硫化物(PAQS)的分子结构(C) 1,5-DHAQ， [Fe(CN)6]3-/4-和PAQS/炭黑(CB)在1 mol/L KOH中扫描速率为50 mV/s时的循环伏安曲线(CV)。(D)负载PAQS/CB颗粒的1,5-DHAQ/[Fe(CN)6]3-/4-流电池在20 mA/cm2阳极槽中的充放电曲线。(E)基于1,5-DHAQ-PAQS/CB-的RFB的长期循环性能。Copyright 2022, Springer Nature.图 7. (A) [(NPr)2TTz]Cl4、NMe-TEMPO和[(NPr)2PV]Cl4的分子结构。(B) [(NPr)2TTz]Cl4和NMe-TEMPO的循环伏安(CV)曲线，以及0.1 mol/L [(NPr)2TTz]Cl4 /0.2 mol/L NMe-TEMPO水相有机氧化还原液流电池(AORFB)的循环性能。Copyright 2018, Wiley.(C) [(NPr)2pv]Cl4和NMe-TEMPO的CV曲线，以及0.1 mol/L [(NPr)2pv]Cl4/0.2 mol/L NMe-TEMPO AORFB的循环性能。Copyright 2021, American Chemical Society.图 8. (A)氟酮衍生物的反应机理。(B)基于1 mol/L 4-羧酸-7-磺酸芴酮(4C7SFL)/1当量氢氧化钠阳极液的高浓度电池，在手套箱外50°C下与过量的铁/铁氰酸盐阴极液循环。(A)-(B): Copyright 2022, AAAS. (C)提出的氢键介导的DHAQ2−降解和保护机制。Copyright 2022, Springer Nature.图 9. (A) Pyr-TEMPO/[PrPV]Cl4 AORFB的结构和工作机理。(B) 4.0 mmol/L Pyr-TEMPO和[PrPV]Cl4的循环伏安曲线。(C) 0.5 mol/L Pyr-TEMPO/0.25 mol/L [PrPV]Cl4 AORFB的长期循环性能。(D)水聚(TEMPO)/锌混合液流电池的工作原理和结构。(E) 0.1 mol/L氯化锌0.01 mol/L聚(TEMPO)水溶液的CV曲线。(F)电流密度为2 mA/cm2时的典型充放电曲线。(G)静态聚(TEMPO)/锌混合液流电池的长期循环。(D)-(G)Copyright 2016, Wiley.
图 10. (A)原位核磁共振(NMR)装置示意图。(B) 2,6-二羟基蒽醌(DHAQ)的氧化还原反应机理和电化学循环过程中获得的原位伪二维(2D) 1H NMR谱。HOD峰的出现是由于氘水(D2O)中H2O的存在与D2O发生了交换反应。(A)-(B)Copyright 2020, Springer Nature.(C)不同电荷状态下0.1 mol/L [(NPr)2PV]·4CL阳极电解质中水峰的部分no-氘核磁共振(no-D核磁共振)光谱。SOC指的是充电状态。(D) [(NPr)2PV]·4Cl阳极电解质在不同电荷状态下的部分No-D NMR谱。(E) 0.1 mol/L [(NPr)2PV]·4Cl阳极电解质在不同电荷状态下的电子顺磁共振(EPR)响应。(F) 1.0 mmol/L [(NPr)2PV]·4Cl阳极电解质在不同电荷状态下，光程长度为1.0 mm时通过样品的紫外-可见吸收光谱。(C)-(F)Copyright 2021, American Chemical Society.
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作者简介
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金钟，南京大学化学化工学院教授，获理学学士学位(2003年)和博士学位。2008年毕业于北京大学。曾在美国莱斯大学(2008-2010)、麻省理工学院(2010-2014)做博士后。2014年被聘为南京大学化学化工学院教授。目前，他在南京大学领导一个研究小组，专注于清洁能源转换和存储的先进材料和功能器件系统的设计和开发。
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