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“文明的歷史就是人類逐漸控制能量的歷史。”1909年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主威廉·奧斯特瓦爾德在《能量的現(xiàn)代理論》中如是寫道。眼見(jiàn)百年過(guò)去了，人類控制能量的能力確實(shí)增強(qiáng)了嗎？

很難講，至少在能源方面，棘手的情形依然層出不窮——我們目睹了2022年的歐洲能源危機(jī)，也看到了極地的冰山依然在不可逆地融化之中。前者，揭示了盡管可再生能源已登場(chǎng)，我們的文明依然依賴石油；后者，則吐露人類活動(dòng)所致使的溫室效應(yīng)勢(shì)不可擋……

如果有一種方法，既能提高清潔可再生能源的利用率，又能同時(shí)捕捉與利用碳排放物，豈不是兩全其美？這不是天方夜譚：近期，西湖大學(xué)王盼團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)Michael J. Aziz團(tuán)隊(duì)、國(guó)科大杭高院季云龍團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了一類基于吩嗪衍生物的水溶性有機(jī)儲(chǔ)能小分子，并提出了在水系有機(jī)液流電池充放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電化學(xué)碳捕獲一體化的方法。也就是說(shuō)，基于一種新合成的小分子，他們開(kāi)發(fā)了能夠捕獲與釋放二氧化碳的水系液流電池。

相關(guān)成果以“A Phenazine-based High-Capacity and High-Stability Electrochemical CO2 Capture Cell with Coupled Electricity Storage”為題發(fā)表在Nature Energy上。西湖大學(xué)理學(xué)院博士生龐帥、哈佛大學(xué)Shijian Jin博士為論文的共同第一作者，西湖大學(xué)理學(xué)院PI王盼博士、哈佛大學(xué)Michael J. Aziz博士、國(guó)科大杭州高等研究院季云龍博士為該論文的共同通訊作者，西湖大學(xué)為論文的第一單位。

新組合：水系液流電池與二氧化碳

近年來(lái)，隨著中國(guó)電力結(jié)構(gòu)的不斷革新，大型風(fēng)光項(xiàng)目（即風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電）有望逐步替代化石能源成為基礎(chǔ)負(fù)載發(fā)電廠。然而，由于風(fēng)能、太陽(yáng)能這樣的清潔能源與天氣變化及地球自轉(zhuǎn)情況息息相關(guān)，風(fēng)光發(fā)電存在間歇性，并且電力輸出與用電高峰時(shí)段存在不同步的情況，因而亟需搭載長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。

大體上，業(yè)界將放電時(shí)長(zhǎng)高于4小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)稱作長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。這類系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)與平衡新能源發(fā)電的波動(dòng)：在能源過(guò)剩時(shí)將能源儲(chǔ)存起來(lái)、避免電網(wǎng)擁堵；在用電高峰時(shí)，再將電力輸出。液流電池，正是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域一匹被看好的“黑馬”。

1974年，科學(xué)家L.H.Thaller提出這種名為“液流電池”的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。與傳統(tǒng)電池的最大不同點(diǎn)在于，液流電池正負(fù)極電解液存儲(chǔ)于外部的儲(chǔ)液罐中。這些活性物質(zhì)由循環(huán)泵傳送到電堆，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。由于能量存儲(chǔ)在電解液中，這意味著這種電池的儲(chǔ)能不再依賴于電極的大小，而是取決于電解液的總量——擴(kuò)容，只需要擴(kuò)大儲(chǔ)罐的尺寸即可。其中，水系有機(jī)液流電池使用水作為介質(zhì)，是具有較高安全性、環(huán)境友好性的高效儲(chǔ)能手段。

在提高清潔能源利用率的同時(shí)，人類依然需要與傳統(tǒng)化石能源消耗的“副作用”作抗?fàn)帲簻厥倚?yīng)給人類生存與發(fā)展帶來(lái)持續(xù)而嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。二氧化碳的高效捕獲，成為減少溫室氣體對(duì)氣候的影響、打造碳中和閉環(huán)的關(guān)鍵議題。目前較為常見(jiàn)的技術(shù)有胺洗滌法、強(qiáng)堿性溶液吸收、固體胺與氨基酸的直接空氣捕集法等，但這些方法均存在不完美之處，包括毒性、腐蝕性、材料降解難、耗能高等等。

自成立以來(lái)，西湖大學(xué)理學(xué)院王盼實(shí)驗(yàn)室在水系液流電池儲(chǔ)能領(lǐng)域取得了一系列研究成果（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5778-5785；Joule, 2021, 5, 2437-2449；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5289-5298）。在前期研究工作中，他們發(fā)現(xiàn)吩嗪類有機(jī)小分子在充放電過(guò)程中，由于其獨(dú)特的質(zhì)子耦合氧化還原特性，會(huì)在水溶液中引起“pH搖擺”的現(xiàn)象。于是想到如何利用這一現(xiàn)象、借助液流電池系統(tǒng)來(lái)充當(dāng)這位“碳捕手”。

那么，什么樣結(jié)構(gòu)的分子能完成這個(gè)使命呢？

新分子：1,8-ESP，表現(xiàn)優(yōu)異的“家族”新成員

王盼所帶領(lǐng)的有機(jī)功能材料實(shí)驗(yàn)室聚焦于以有機(jī)合成化學(xué)為基礎(chǔ)的功能分子的設(shè)計(jì)，以材料功能為導(dǎo)向，賦予有機(jī)分子獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行精準(zhǔn)合成。換句話說(shuō)，找到“有用、適用、好用”的小分子，正是他們所擅長(zhǎng)的。

2021年，王盼實(shí)驗(yàn)室與合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展了新型仿生設(shè)計(jì)水溶性吩嗪類化合物1,6-AFP，賦予水系有機(jī)液流電池體系優(yōu)異的穩(wěn)定性（往期報(bào)道：利用氨基酸實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能丨西湖大學(xué)王盼實(shí)驗(yàn)室最新成果登上《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》封面）；這也是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在西湖的第一項(xiàng)成果。之后，他們根據(jù)不同功能及應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了一系列吩嗪“家族”的新成員。新成員1,8-ESP與此前報(bào)道的1,6-AFP共享同樣的“骨架”（母核），但嫁接著不一樣的“肢體”（官能團(tuán)）。官能團(tuán)，指的是影響有機(jī)化合物的物理化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán)；上一代小分子所使用的是氨基酸，而這一代，團(tuán)隊(duì)換上了磺酸根。

于是，“老骨架”抽出新芽，迸發(fā)了新的生機(jī)：它既能實(shí)現(xiàn)水系液流電池的儲(chǔ)能功用，也能捕集與釋放二氧化碳。


上圖為1,8-ESP的二氧化碳捕集-釋放和能量?jī)?chǔ)存-輸送系統(tǒng)示意圖?；谟袡C(jī)分子氧化還原反應(yīng)機(jī)理，在該水系液流電池的充放電過(guò)程中，體系會(huì)發(fā)生酸堿變化（即pH搖擺）：充電時(shí)，1,8-ESP（即活性分子）得到電子，被還原同時(shí)從水中奪取一個(gè)質(zhì)子，使得溶液變?yōu)閴A性，氫氧根（OH-）與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成碳酸根（CO32-）及碳酸氫根（HCO3-）。放電過(guò)程與之相反。事實(shí)上，只要有基本的化學(xué)概念，就能理解這個(gè)道理：堿性液體能夠吸收二氧化碳。電池充電時(shí)，含有1,8-ESP的中性溶液會(huì)發(fā)生pH變化轉(zhuǎn)為堿性，因而就能同步吸收充入的二氧化碳；放電時(shí)，液體由堿性轉(zhuǎn)變回中性，由此會(huì)自然釋放先前捕集的二氧化碳。

進(jìn)一步，研究人員測(cè)試了1,8-ESP的水系液流電池的性能，發(fā)現(xiàn)它具有一系列較為優(yōu)越的表現(xiàn)。略過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)成績(jī)單不提，概括來(lái)講，這個(gè)小分子及其發(fā)展而來(lái)的電池，具有“從酸到堿”都適宜的高水溶性、較好的二氧化碳捕獲表現(xiàn)、較高的穩(wěn)定性、良好的抗氧化性和較低的能量成本。

換言之，王盼實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化碳的高效高容量捕集。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，以1,8-ESP為活性物質(zhì)的電池體系，既可作為二氧化碳捕集系統(tǒng)，也可同時(shí)進(jìn)行能量存儲(chǔ)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)市場(chǎng)與實(shí)際需求，來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能與碳捕集的及時(shí)調(diào)整與響應(yīng)，以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

新挑戰(zhàn)：志在“碳閉環(huán)”的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

科學(xué)探索的魅力常常在于我們?cè)?ldquo;無(wú)心插柳”處，意外發(fā)現(xiàn)新的曙光，進(jìn)而蔚然成蔭。

正如先前提到的，設(shè)計(jì)、合成有機(jī)新材料、新化合物，并為它們找到不同的應(yīng)用場(chǎng)景，是王盼實(shí)驗(yàn)室的主軸。早在2021年春節(jié)前后，在前一項(xiàng)關(guān)于高溫水系有機(jī)液流電池的成果發(fā)表在了Joule雜志后，他們便啟動(dòng)了對(duì)1,8-ESP的合成研究。

顯然，他們并不滿足于僅僅用它來(lái)打造單一的儲(chǔ)能系統(tǒng)，停留在自己研究“舒適區(qū)”，而是想讓它更好地“發(fā)光發(fā)熱”。文章共同一作之一、王盼實(shí)驗(yàn)室的博士生龐帥回憶說(shuō)，他們?yōu)榇伺c水系有機(jī)液流電池領(lǐng)域“鼻祖”、美國(guó)哈佛大學(xué)Michael J. Aziz博士取得了聯(lián)系，也與擅長(zhǎng)電池工程測(cè)試的國(guó)科大杭州高等研究院季云龍博士的團(tuán)隊(duì)形成了合作；在漂洋過(guò)海的聯(lián)合研究與反復(fù)探索中，終于實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)介導(dǎo)的高效低能耗二氧化碳捕集技術(shù)。

而在這兩年多來(lái)，這個(gè)成立不過(guò)三年多的年輕實(shí)驗(yàn)室，展現(xiàn)出了西湖人最大的特點(diǎn)：敢想敢干。對(duì)材料的設(shè)計(jì)與合成的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理的探究，是他們的優(yōu)勢(shì)，從頭搭建一個(gè)二氧化碳的吸收環(huán)境，是他們此前從未涉足過(guò)的領(lǐng)域，但不懼從零起步，實(shí)驗(yàn)室果斷跨界尋求合作，與國(guó)內(nèi)外最頂尖的實(shí)驗(yàn)室一起干。

成果來(lái)之不易，但對(duì)始終志在“更好”的科研人而言，每一次突破，都意味著下一個(gè)全新的開(kāi)始。在1,8-ESP之后，王盼實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)走在尋找抗氧化能力更強(qiáng)的小分子的路上了。他們想要找到一種更理想的有機(jī)材料，希望能夠以此為基礎(chǔ)，可以直接從空氣中高效捕獲二氧化碳。王盼解釋說(shuō)：“正?？諝庵卸趸純H含量約400-500 ppm，但是氧氣含量達(dá)到21%，所以它的抗氧化能力很重要。”

那么，捕捉到更多二氧化碳之后呢？又要釋放到哪里去？這個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的終極目標(biāo)，是打造二氧化碳循環(huán)利用的碳閉環(huán)。即清潔能源提供的能量，一方面可以進(jìn)行電化學(xué)存儲(chǔ)，另一方面可以為從空氣中捕獲二氧化碳（來(lái)源包括工廠廢氣、汽車尾氣等，只要人類還在使用化石燃料，產(chǎn)生的二氧化碳就避無(wú)可避）捕獲供能；然后，把這些二氧化碳當(dāng)作為原料進(jìn)行下一步的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生附加值更高的化學(xué)品和清潔能源（比如生產(chǎn)甲醇、乙烯），由此實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)……


聽(tīng)起來(lái)又是一個(gè)“天方夜譚”是不是？不怕，在未知世界里大膽暢想，正是科研人的本色。

原標(biāo)題：會(huì)吸二氧化碳的電池！西湖大學(xué)王盼實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)新型有機(jī)儲(chǔ)能材料