西安交大宋江选教授团队在国际权威期刊《Adv Mater》发表紫精衍生物研究综述

随着全球清洁能源的快速发展，安全、高效、可规模化的储能技术成为构建新型能源体系的关键支撑。其中，水系有机液流电池（AORFBs）凭借优异的本征安全性、环境友好性和可扩展性，正逐渐成为实现电网级储能的重要候选方案。

在众多有机活性体系中，紫精（Viologen）类电解质因其可调控的分子结构、可实现的多电子氧化还原行为及原料易得、成本低廉等优势，备受学术界与产业界关注。紫精分子的电化学性能直接决定了电池的能量效率与循环稳定性，对推动水系有机液流电池的实用化具有重要意义。

西安交通大学宋江选教授团队近期在《Advanced Materials》发表题为《Viologen Derivatives in Aqueous Organic Redox Flow Batteries: Progress and Perspectives》的综述论文。该综述系统梳理了紫精电解质在水系有机液流电池中的最新研究进展，总结了双极分子设计、共轭骨架扩展、位阻调控、主客体作用与取代基修饰等多种有效策略，揭示了这些方法在提升分子稳定性、溶解性和电化学可逆性方面的机制；系统介绍了原位与非原位表征技术在揭示紫精类电解质的氧化还原机理、分解路径及聚集行为中的应用，为未来构建高稳定性、高能量密度的水系有机液流电池提供了新的思路与研究方向。

作者首先展示了水系有机液流电池（AORFB）系统的基本结构示意图（图1a）。该体系通过将水溶性的氧化还原活性分子分别作为正、负极电解质，从而实现电能的可逆存储与释放。在常见的紫精类电解质分子中，氧化还原反应通常经历两个连续的单电子还原步骤。然而，由于中性态Vi⁰的水溶性较低，第二步还原过程的可逆性受到显著限制。以甲基紫精的研究为例，其第一步还原过程由MV2⁺生成稳定的自由基阳离子MV+•，该反应具有较高的可逆性，氧化还原电位约为–0.45 V（vs. SHE）（图1b-c）。第二步由MV⁺•还原为MV0的反应受限于其低溶解度，电化学可逆性较差，表现为循环伏安曲线中的不对称特征（图1c）。此外，通过紫外–可见吸收光谱对不同价态的紫精进行表征（图1d）。实验结果显示，MV²⁺在260 nm处具有特征吸收峰，MV⁺• 在397 nm和608 nm处出现明显吸收，而MV⁰在401 nm附近表现出特征信号。这些吸收峰的变化直观反映了紫精分子在氧化还原过程中电子转移的特征，为深入理解其在电池运行状态下的化学演变提供了重要依据。

而后，作者重点分析了制约紫精电解质分子实用化的主要挑战，包括电解质分子的跨膜渗透、单电子还原态聚集、双电子转移受限以及碱性环境下的分解等关键科学问题（图2）。在此基础上，作者深入探讨和总结了多种应对策略，如双极分子设计、共轭骨架扩展、位阻与分子尺寸调控、主客体调控以及取代基修饰等策略，揭示了调控策略在提升紫精分子稳定性、溶解性与电化学可逆性方面的作用以及机理机制。

最后，作者从三个方面对紫精基水系有机液流电池进行了展望（图3）。首先，通过分子工程与电解液优化，若开发可实现双电子转移的高浓度低黏度电解液，可使理论体积容量超过100 Ah L⁻¹，同时提升耐氧性，降低系统成本。其次，借助原位表征技术动态追踪分子转化与聚集行为，解析降解机制，为增加循环寿命提供理论依据。最后，人工智能与机器学习结合计算模拟，可高通量筛选新型紫精衍生物并优化合成路线，加速实验室突破向商业化转化。这三个方面的协同推进，将为构建高稳定性、高能量密度的水系有机液流储能体系提供新的思路与方向。

宋江选，西安交通大学材料科学与工程学院教授、国家级高层次青年人才、陕西省百人、西安交通大学青年拔尖人才。近年来主持了科技部/工信部、国家自然科学基金，陕西省重点研发计划/国际合作项目及世界500强企业资助项目，在高比能二次电池、水系有机液流电池等研究领域取得一系列创新性成果，在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Nano Lett.等权威期刊发表论文100余篇，他引超万次，申请专利30余项，若干技术成果已实施转化，服务与国家及地方经济。

范豪，西安交通大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向包括：①低成本、大规模水系有机液流电池长时储能技术关键材料及器件开发；②先进功能有机/无机电极材料设计、合成及其水系液流电池储能作用机理探究。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, eScience等期刊上共发表SCI论文30余篇。