Science重磅：液流电池登顶！

由于有机材料的合成可调性、自然丰度和固有安全性，在水系液流电池（RFB）中使用有机材料越来越有吸引力。具有可逆氧化还原反应的能力是材料用于电化学储能装置的先决条件，到目前为止，电化学储能装置将可用的有机核心结构限制在基于醌、二胺、吡啶和硝基功能的相当小的范围中，这些功能已根据其溶解度、稳定性和氧化还原电位进行了调整。

然而，更多的有机结构在水稳定窗口内表现出一定程度的不可逆转的氧化还原活性。例如，尽管酮很容易通过双电子电氢化还原为醇，但是醇直接氧化成羰基是困难的，通常需要催化剂，造成使用酮作为液流电池中的活性物质充满挑战。

西北太平洋国家实验室Wei Wang和Xin Zhang在Science发表最新的液流电池成果，通过酮的电化学加氢还原和脱氢实现了高效的液流电池。

作者以9-芴酮（9-fluorenone, FL）为例，本来FL的氢化和脱氢过程在无催化剂条件下是不可逆的，其脱氢过程需要氧化剂或者催化剂。为了实现其可逆性，作者利用分子工程修饰了这种便宜的前体，其中一个苯环连上水溶的基团，另一个连上吸电子基团（图1A），之后测试了一系列的衍生分子作为液流电池中氧化还原活性物质的性能。

经过修饰的FL用于液流电池，能够实现室温下在20 mA cm^-2，循环1000圈，容量保持75%。FL的刚性键合结构也显示出在高温(50°C)下，在水基RFB中具有长期稳定性。在50°C下，100 mA cm^-2，能够循环780圈，容量保持70%。

本文展示了酮和醇在无催化剂的室温下，在液流电池倍率和电位下实现了可逆电化学转换，也验证了通过分子工程来开发原本不适合液流电池分子的能力。这为将来发现新的氧化还原分子提供了思路。

图文详情

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图1. 酮-醇的电化学转化

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图2. 化学反应平衡使FL-OH放电假说的验证

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图3. 高浓度电池演示

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图4. 反应机理、DFT计算和实验

文献信息

Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteries. Science 372 (6544), 836-840.

http://science.sciencemag.org/content/372/6544/836

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