Nature子刊：基于黄素单核苷酸的仿生氧化还原液流电池

【引言】

可再生能源发电极具吸引力，例如太阳能和风能，但它们作为间歇性能源本身具有一定的缺陷。为了弥补这个缺点，人们已经大力追求使用和开发适当的能量存储系统。氧化还原液流电池（RFBs）由于其独特的优点，例如它们的灵活性，模块化设计和快速的响应时间，已经引起了作为电网规模存储的广泛关注。 RFB通过溶解在电解质中的氧化还原活性材料（称为正电解质和负电解质）来储存其能量，其可以通过膜和泵循环进行分离。虽然许多RFBs使用安全或便宜或高能量密度的材料，但将所有三个重要标准结合的目标尚未实现。例如，钒液流电池是迄今商业化最成功的RFBs，然而由于使用了稀土金属离子，却导致其成为相当昂贵的系统。虽然能量密度较低，但是使用有机活性材料的RFBs由于能够满足低成本和可持续性的要求，已经受到越来越多的关注。已经报道了用于RFB中的各种独特的有机活性材料，其中许多是从Li离子和Na离子电池的研究中受到的启发。然而可以提供稳定循环的有机材料的数量非常有限。其中蒽醌/溴化物液流电池是一个鲜明的例子，它能够在750个循环的过程中表现出稳定的性能。探究和了解有助于醌系统稳定性的有益性质应是开发替代有机RFB系统的主要目标。

【成果简介】

近日，加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng（通讯作者）等在NATURE COMMUNICATIONS上发文，题为“A biomimetic redox flow battery based on flavinmononucleotide”。该研究小组提出使用基于黄素单核苷酸的钠盐的水性电解质的液流电池。黄酮是高度通用的电活性分子，其能催化生物系统中的大量氧化还原反应。研究人员使用烟酰胺（维生素B3）作为水溶助剂，以提高黄素单核苷酸的水溶性。这种在强碱中使用黄素单核苷酸阴性和亚铁氰化物正电解质的氧化还原液流电池表现出稳定的循环性能，在100个循环的过程中具有超过99％的容量保持率。研究人员推测这一结果是由于FMN-Na的氧化和还原形式能通过共振结构来稳定。

【图文导读】

图一： FMN / Fe电池的示意图。

（a）核黄素-5'-单磷酸钠盐（FMN-Na，黄素单核苷酸的钠盐）的分子结构。

（b）分别由FMN-Na和基于亚铁氰化物的负电解质和正电解质组成的RFB的示意图。

（c）在pH 13下，各种候选物的析H₂（黄色）和析O₂（蓝色）的对应的氧化还原电位。

TEMPOL：4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基; DHAQ：2,6-二羟基蒽醌; MV：甲基紫精。

图二： FMN-Na的化学结构。

（a）磷酸基和第三位氮的各种质子化状态下的FMN-Na。

（b）FMN-Na在强碱性条件（pH＞10.2）中的双电子氧化还原反应机理。

图三： FMN-Na电解质的循环伏安图和紫外-可见光谱。

（a）分别为10mM FMN-Na和1M KCl（pH5.5），10mM FMN-Na和1M KCl 在pH9.1缓冲液中（pH8.6），10mM FMN-Na和1M KCl 在pH10缓冲液中（pH10.0），和10mM FMN-Na和1M KOH（pH 13.0）水溶液的CV; 虚线CV表示在363K下处理2小时后的电解质。

（b）10mM FMN-Na和1M KOH的水溶液电解质在100小时的CV，间隔为10小时（扫描速率：10mVs^-1）。

（c）在电解质制备后0-6小时，50mM FMN-Na在1M KOH水性电解质中的紫外 - 可见光谱。

图四：FMN-Na电解质的电化学。

（a）在旋转电极速度为200-3,000转/分下的RDE测量。 使用10mM FMNNa在1M KOH水溶液（pH = 13.0）。

（b）极限电流（i）对旋转速度的平方根（Levich-plot）。

（c）Koutecky'-Levich图。

（d）塔菲尔图。Z是测量的电位和表观氧化还原电位之间的差。

图五：低浓度的FMN / Fe RFB的电化学。

使用0.1M K₄[Fe（CN）₆]在1M KOH中的水性正电解质和0.06M FMN-Na在1M KOH中的水性负极电解质。

（a）在5 mAcm^-2,10 mAcm^-2和20mAcm^-2的电流密度下的充放电曲线。

（b）在10mAcm^-2的电流密度下的第1次，第100次和第200次循环的充放电曲线。

（c）在10mAcm^-2的电流密度下RFB的循环放电容量和效率。

图六：高浓度FMN / Fe RFB的电化学性能。

使用0.4M K₄[Fe（CN）₆]在1M KOH水性正电解质，0.24M FMN-Na和1M NA在1M KOH中的水性负极电解质。

（a）在10 mAcm^-2,25 mAcm^-2,50 mAcm^-2和80mAcm^-2电流密度下的充放电曲线。

（b）在50mAcm^-2电流密度下的第1和第100次循环，以及在80mAcm^-2下的第110次和第200次循环的充放电曲线。

（c）循环放电容量和效率。

（d）电压和功率密度与放电电流密度的相关性。

【总结】

研究小组提出使用基于黄素单核苷酸的钠盐的水性电解质的液流电池。这种在强碱中使用黄素单核苷酸阴性和亚铁氰化物正电解质的氧化还原液流电池表现出稳定的循环性能，在100个循环的过程中具有超过99％的容量保持率。这为未来发展低成本和可持续性的RFBs奠定了方向。

文献链接：A biomimetic redox flow battery based on flavin mononucleotide（Nature Communications，2016，doi:10.1038/ncomms13230）

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