南京大学金钟团队JACS：多电子转移的醌-吡嗪共轭氧化还原核心用于超稳定和高能量密度的水系有机液流电池

第一作者：张蓬勃

通讯作者：金钟*

单位：南京大学

基于有机物的液流电池因其原料来源广泛、电化学性能可调等优势，被视为实现低成本、大规模储能的重要候选体系。在此背景下，多电子转移策略提供了进一步提升电池性能的有效途径。由于单个分子能够参与多个电子的可逆反应，其单位浓度下的储能能力显著提高。此外，合理的分子结构设计能够稳定反应中间体并增强反应可逆性，进一步提升循环稳定性。因此，多电子转移策略为构建高能量密度、长寿命的水系有机液流电池提供了重要优势。南京大学金钟团队设计了一种水溶性醌-吡嗪共轭氧化还原分子（DAPQ），该分子采用π-共轭耦合策略，通过多电子转移机制提高水系有机液流电池（AORFBs）的能量密度。DAPQ分子增强的芳香性可以显著提升分子稳定性，即使在高温（50 °C）下DAPQ分子也具有高稳定性。基于 0.6 M DAPQ 的 AORFB 提供了超过 50 Wh L⁻¹的高能量密度，而基于 0.5 M DAPQ 的 AORFB 在 2,300 个循环（1991 小时）内的容量保持率为 99.86%，每日衰减仅为 0.0017%。这一基于共轭效应的多电子设计为开发高容量、长寿命的有机电荷载体建立了新的范式，并为实现可规模化、安全且可持续的电网级储能系统提供了有力推动。

近日，来自南京大学的金钟教授，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Unlocking Multielectron Transfer in a Quinone−Pyrazine Conjoined Redox Core for Capacity-Doubled and Ultrastable Aqueous Organic Redox Flow Batteries”的研究文章。该文章针对目前AORFBs体系中稳定性差、能量密度低等问题，通过构建π-共轭多电子氧化还原核心，获得了高稳定性、高能量密度的储能分子并扩展了可用于大规模储能的氧化还原分子的种类。

主要涉及两电子/两质子转移反应的单一类型的醌类或吡嗪类分子往往难以同时实现高容量和长期循环寿命。该工作通过将醌与吡嗪两个典型有机氧化还原核心“共轭融合”为一个整体，构建了独特的四电子转移（4e⁻）结构，显著提升单位分子的电荷存储量，实际测试中的能量密度超过 50 Wh L⁻¹，几乎是常规蒽醌或吡嗪衍生物的两倍。

该工作提出的扩展式 π 共轭融合环结构赋予分子更高的芳香性与更均衡的电荷分布，使其在高碱性水系环境中具有异常优异的结构稳定性。扩展的 π共轭体系能够有效分散还原态中局域的电子密度，从而抑制蒽醌体系常见的歧化反应以及吩嗪体系常见的互变异构等副反应。此外，刚性融合结构显著提升了分子对亲核攻击的抵抗能力，使得在2300次循环（1991 h）过程中保持每天 0.0017%的极低容量衰减率。

通过将谱学分析与密度泛函理论（DFT）计算紧密结合，利用原位红外光谱、原位紫外可见光谱、非原位EPR、NMR等测试方法研究了氧化还原过程中间体与结构演变，还利用DFT计算揭示了不同电子转移过程的电子分布变化及芳香性调控机制。

多电子转移有机分子在液流电池中的应用具有广阔的发展空间。首先，随着分子工程策略的不断丰富，从扩展共轭结构、电子结构调控到可溶性侧链设计等方法将持续推动更高电子数、更高能量密度的氧化还原核心的诞生，进一步突破传统单电子或两电子体系的能量瓶颈。其次，多尺度理论计算与原位表征技术的协同发展将使复杂的电子转移路径、瞬时中间体以及结构演化过程得以更准确地捕获，从而有利于深入理解分子结构演变过程以及进一步优化分子结构。整体而言，多电子策略不仅为提升液流电池容量提供了全新的分子设计范式，也将在未来推动液流电池向高能量密度、可持续性和极端长寿命方向加速演进，为大规模储能技术的发展带来重要机遇。

Unlocking Multielectron Transfer in a Quinone−Pyrazine Conjoined Redox Core for Capacity-Doubled and Ultrastable Aqueous Organic Redox Flow Batteries

金钟教授简介：南京大学化学化工学院教授、博导、国家级领军人才，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、新材料与能源技术研发中心主任、绿色能源催化与智能化学工程江苏省高校重点实验室主任。主要研究领域是清洁能源材料及绿色化学化工技术，已在Nature Chem.等学术期刊发表SCI论文>330篇，他引>26000次，H因子88，连续5年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。荣获了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、中国商业联合会科技创新奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果二等奖、江苏省首届创新争先奖、华为公司“火花奖”、英国皇家化学会“地平线奖”等奖励和荣誉。主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部联合基金、江苏省基础研究计划重点项目、江苏省“碳达峰碳中和”科技创新专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。目前担任江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、多个SCI学术期刊编委会成员等学术任职。金钟课题组网站：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp。

金钟课题组正在招募助理教授、副研究员、博士后和研究生，热烈欢迎有志于能源材料化学、绿色化工研究的青年人才加盟！主要研究方向：(1)清洁能源材料化学及绿色催化化工技术，包括：新型二次电池、液流电池、绿色合成与清洁催化化工过程、光电转换与催化技术、柔性可穿戴能源器件等；(2)新型纳米材料的性质调控及光电功能器件应用，包括：配位化学新材料、低维纳米材料及三维有序介观组装结构等。有意者欢迎联系：zhongjin@nju.edu.cn。

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