Nature子刊：基于黃素單核苷酸的仿生氧化還原液流電池

【引言】

可再生能源發電極具吸引力，例如太陽能和風能，但它們作為間歇性能源本身具有一定的缺陷。為了彌補這個缺點，人們已經大力追求使用和開發適當的能量存儲系統。氧化還原液流電池（RFBs）由于其獨特的優點，例如它們的靈活性，模塊化設計和快速的響應時間，已經引起了作為電網規模存儲的廣泛關注。 RFB通過溶解在電解質中的氧化還原活性材料（稱為正電解質和負電解質）來儲存其能量，其可以通過膜和泵循環進行分離。雖然許多RFBs使用安全或便宜或高能量密度的材料，但將所有三個重要標準結合的目標尚未實現。例如，釩液流電池是迄今商業化最成功的RFBs，然而由于使用了稀土金屬離子，卻導致其成為相當昂貴的系統。雖然能量密度較低，但是使用有機活性材料的RFBs由于能夠滿足低成本和可持續性的要求，已經受到越來越多的關注。已經報道了用于RFB中的各種獨特的有機活性材料，其中許多是從Li離子和Na離子電池的研究中受到的啟發。然而可以提供穩定循環的有機材料的數量非常有限。其中蒽醌/溴化物液流電池是一個鮮明的例子，它能夠在750個循環的過程中表現出穩定的性能。探究和了解有助于醌系統穩定性的有益性質應是開發替代有機RFB系統的主要目標。

【成果簡介】

近日，加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley Meng（通訊作者）等在NATURE COMMUNICATIONS上發文，題為“A biomimetic redox flow battery based on flavin?mononucleotide”。該研究小組提出使用基于黃素單核苷酸的鈉鹽的水性電解質的液流電池。黃酮是高度通用的電活性分子，其能催化生物系統中的大量氧化還原反應。研究人員使用煙酰胺（維生素B3）作為水溶助劑，以提高黃素單核苷酸的水溶性。這種在強堿中使用黃素單核苷酸陰性和亞鐵氰化物正電解質的氧化還原液流電池表現出穩定的循環性能，在100個循環的過程中具有超過99％的容量保持率。研究人員推測這一結果是由于FMN-Na的氧化和還原形式能通過共振結構來穩定。

?【圖文導讀】

圖一： FMN / Fe電池的示意圖。

（a）核黃素-5'-單磷酸鈉鹽（FMN-Na，黃素單核苷酸的鈉鹽）的分子結構。

（b）分別由FMN-Na和基于亞鐵氰化物的負電解質和正電解質組成的RFB的示意圖。

（c）在pH 13下，各種候選物的析H₂（黃色）和析O₂（藍色）的對應的氧化還原電位。

TEMPOL：4-羥基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基; DHAQ：2,6-二羥基蒽醌; MV：甲基紫精。

圖二： FMN-Na的化學結構。

（a）磷酸基和第三位氮的各種質子化狀態下的FMN-Na。

（b）FMN-Na在強堿性條件（pH＞10.2）中的雙電子氧化還原反應機理。

圖三： FMN-Na電解質的循環伏安圖和紫外-可見光譜。

（a）分別為10mM FMN-Na和1M KCl（pH5.5），10mM FMN-Na和1M KCl 在pH9.1緩沖液中（pH8.6），10mM FMN-Na和1M KCl 在pH10緩沖液中（pH10.0），和10mM FMN-Na和1M KOH（pH 13.0）水溶液的CV; 虛線CV表示在363K下處理2小時后的電解質。

（b）10mM FMN-Na和1M KOH的水溶液電解質在100小時的CV，間隔為10小時（掃描速率：10mVs ^-1）。

（c）在電解質制備后0-6小時，50mM FMN-Na在1M KOH水性電解質中的紫外 - 可見光譜。

圖四：FMN-Na電解質的電化學。

（a）在旋轉電極速度為200-3,000轉/分下的RDE測量。 使用10mM FMNNa在1M KOH水溶液（pH = 13.0）。

（b）極限電流（i）對旋轉速度的平方根（Levich-plot）。

（c）Koutecky'-Levich圖。

（d）塔菲爾圖。Z是測量的電位和表觀氧化還原電位之間的差。

圖五：低濃度的FMN / Fe RFB的電化學。

使用0.1M K₄ [Fe（CN）₆]在1M KOH中的水性正電解質和0.06M FMN-Na在1M KOH中的水性負極電解質。

（a）在5 mAcm ^-2,10 mAcm ^-2和20mAcm ^-2的電流密度下的充放電曲線。

（b）在10mAcm^-2的電流密度下的第1次，第100次和第200次循環的充放電曲線。

（c）在10mAcm ^-2的電流密度下RFB的循環放電容量和效率。

圖六：高濃度FMN / Fe RFB的電化學性能。

使用0.4M K₄ [Fe（CN）₆]在1M KOH水性正電解質，0.24M FMN-Na和1M NA在1M KOH中的水性負極電解質。

（a）在10 mAcm ^-2,25 mAcm ^-2,50 mAcm ^-2和80mAcm ^-2電流密度下的充放電曲線。

（b）在50mAcm ^-2電流密度下的第1和第100次循環，以及在80mAcm ^-2下的第110次和第200次循環的充放電曲線。

（c）循環放電容量和效率。

（d）電壓和功率密度與放電電流密度的相關性。

【總結】

研究小組提出使用基于黃素單核苷酸的鈉鹽的水性電解質的液流電池。這種在強堿中使用黃素單核苷酸陰性和亞鐵氰化物正電解質的氧化還原液流電池表現出穩定的循環性能，在100個循環的過程中具有超過99％的容量保持率。這為未來發展低成本和可持續性的RFBs奠定了方向。

文獻鏈接：A biomimetic redox flow battery based on flavin mononucleotide（Nature Communications，2016，doi:10.1038/ncomms13230）

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