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会吸二氧化碳的电池!西湖大学王盼实验室开发新型有机储能材料

   2023-09-20 西湖大学WestlakeUniversity54520
核心提示:以1,8-ESP为活性物质的电池体系可同时进行能量存储

“文明的历史就是人类逐渐控制能量的历史。”1909年,诺贝尔化学奖得主威廉·奥斯特瓦尔德在《能量的现代理论》中如是写道。眼见百年过去了,人类控制能量的能力确实增强了吗?

很难讲,至少在能源方面,棘手的情形依然层出不穷——我们目睹了2022年的欧洲能源危机,也看到了极地的冰山依然在不可逆地融化之中。前者,揭示了尽管可再生能源已登场,我们的文明依然依赖石油;后者,则吐露人类活动所致使的温室效应势不可挡……

如果有一种方法,既能提高清洁可再生能源的利用率,又能同时捕捉与利用碳排放物,岂不是两全其美?这不是天方夜谭:近期,西湖大学王盼团队与哈佛大学Michael J. Aziz团队、国科大杭高院季云龙团队合作,开发了一类基于吩嗪衍生物的水溶性有机储能小分子,并提出了在水系有机液流电池充放电过程中实现电化学碳捕获一体化的方法。也就是说,基于一种新合成的小分子,他们开发了能够捕获与释放二氧化碳的水系液流电池。

相关成果以“A Phenazine-based High-Capacity and High-Stability Electrochemical CO2 Capture Cell with Coupled Electricity Storage”为题发表在Nature Energy上。西湖大学理学院博士生庞帅、哈佛大学Shijian Jin博士为论文的共同第一作者,西湖大学理学院PI王盼博士、哈佛大学Michael J. Aziz博士、国科大杭州高等研究院季云龙博士为该论文的共同通讯作者,西湖大学为论文的第一单位。

新组合:水系液流电池与二氧化碳

近年来,随着中国电力结构的不断革新,大型风光项目(即风力发电与光伏发电)有望逐步替代化石能源成为基础负载发电厂。然而,由于风能、太阳能这样的清洁能源与天气变化及地球自转情况息息相关,风光发电存在间歇性,并且电力输出与用电高峰时段存在不同步的情况,因而亟需搭载长时储能技术。

大体上,业界将放电时长高于4小时的储能系统称作长时储能。这类系统能够调节与平衡新能源发电的波动:在能源过剩时将能源储存起来、避免电网拥堵;在用电高峰时,再将电力输出。液流电池,正是长时储能领域一匹被看好的“黑马”。

1974年,科学家L.H.Thaller提出这种名为“液流电池”的电化学储能技术。与传统电池的最大不同点在于,液流电池正负极电解液存储于外部的储液罐中。这些活性物质由循环泵传送到电堆,在电极表面发生氧化还原反应来实现能量的储存和释放。由于能量存储在电解液中,这意味着这种电池的储能不再依赖于电极的大小,而是取决于电解液的总量——扩容,只需要扩大储罐的尺寸即可。其中,水系有机液流电池使用水作为介质,是具有较高安全性、环境友好性的高效储能手段。

在提高清洁能源利用率的同时,人类依然需要与传统化石能源消耗的“副作用”作抗争:温室效应给人类生存与发展带来持续而严峻的挑战。二氧化碳的高效捕获,成为减少温室气体对气候的影响、打造碳中和闭环的关键议题。目前较为常见的技术有胺洗涤法、强碱性溶液吸收、固体胺与氨基酸的直接空气捕集法等,但这些方法均存在不完美之处,包括毒性、腐蚀性、材料降解难、耗能高等等。

自成立以来,西湖大学理学院王盼实验室在水系液流电池储能领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,他们发现吩嗪类有机小分子在充放电过程中,由于其独特的质子耦合氧化还原特性,会在水溶液中引起“pH摇摆”的现象。于是想到如何利用这一现象、借助液流电池系统来充当这位“碳捕手”。

那么,什么样结构的分子能完成这个使命呢?

新分子:1,8-ESP,表现优异的“家族”新成员

王盼所带领的有机功能材料实验室聚焦于以有机合成化学为基础的功能分子的设计,以材料功能为导向,赋予有机分子独特的结构特性进行精准合成。换句话说,找到“有用、适用、好用”的小分子,正是他们所擅长的。

2021年,王盼实验室与合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物1,6-AFP,赋予水系有机液流电池体系优异的稳定性(往期报道:利用氨基酸实现高储能丨西湖大学王盼实验室最新成果登上《德国应用化学》封面);这也是这个实验室在西湖的第一项成果。之后,他们根据不同功能及应用场景,开发了一系列吩嗪“家族”的新成员。新成员1,8-ESP与此前报道的1,6-AFP共享同样的“骨架”(母核),但嫁接着不一样的“肢体”(官能团)。官能团,指的是影响有机化合物的物理化学性质的原子或原子团;上一代小分子所使用的是氨基酸,而这一代,团队换上了磺酸根。

于是,“老骨架”抽出新芽,迸发了新的生机:它既能实现水系液流电池的储能功用,也能捕集与释放二氧化碳。

二氧化碳捕集-释放和能量储存-输送系统

上图为1,8-ESP的二氧化碳捕集-释放和能量储存-输送系统示意图。基于有机分子氧化还原反应机理,在该水系液流电池的充放电过程中,体系会发生酸碱变化(即pH摇摆):充电时,1,8-ESP(即活性分子)得到电子,被还原同时从水中夺取一个质子,使得溶液变为碱性,氢氧根(OH-)与二氧化碳发生反应生成碳酸根(CO32-)及碳酸氢根(HCO3-)。放电过程与之相反。事实上,只要有基本的化学概念,就能理解这个道理:碱性液体能够吸收二氧化碳。电池充电时,含有1,8-ESP的中性溶液会发生pH变化转为碱性,因而就能同步吸收充入的二氧化碳;放电时,液体由碱性转变回中性,由此会自然释放先前捕集的二氧化碳。

进一步,研究人员测试了1,8-ESP的水系液流电池的性能,发现它具有一系列较为优越的表现。略过复杂的数据成绩单不提,概括来讲,这个小分子及其发展而来的电池,具有“从酸到碱”都适宜的高水溶性、较好的二氧化碳捕获表现、较高的稳定性、良好的抗氧化性和较低的能量成本。

换言之,王盼实验室成功实现了对二氧化碳的高效高容量捕集。在实际运行过程中,以1,8-ESP为活性物质的电池体系,既可作为二氧化碳捕集系统,也可同时进行能量存储。该系统能够根据市场与实际需求,来进行储能与碳捕集的及时调整与响应,以获得最大经济效益。

新挑战:志在“碳闭环”的化学实验室

科学探索的魅力常常在于我们在“无心插柳”处,意外发现新的曙光,进而蔚然成荫。

正如先前提到的,设计、合成有机新材料、新化合物,并为它们找到不同的应用场景,是王盼实验室的主轴。早在2021年春节前后,在前一项关于高温水系有机液流电池的成果发表在了Joule杂志后,他们便启动了对1,8-ESP的合成研究。

显然,他们并不满足于仅仅用它来打造单一的储能系统,停留在自己研究“舒适区”,而是想让它更好地“发光发热”。文章共同一作之一、王盼实验室的博士生庞帅回忆说,他们为此与水系有机液流电池领域“鼻祖”、美国哈佛大学Michael J. Aziz博士取得了联系,也与擅长电池工程测试的国科大杭州高等研究院季云龙博士的团队形成了合作;在漂洋过海的联合研究与反复探索中,终于实现了电化学介导的高效低能耗二氧化碳捕集技术。

而在这两年多来,这个成立不过三年多的年轻实验室,展现出了西湖人最大的特点:敢想敢干。对材料的设计与合成的经验,对化学反应过程机理的探究,是他们的优势,从头搭建一个二氧化碳的吸收环境,是他们此前从未涉足过的领域,但不惧从零起步,实验室果断跨界寻求合作,与国内外最顶尖的实验室一起干。

成果来之不易,但对始终志在“更好”的科研人而言,每一次突破,都意味着下一个全新的开始。在1,8-ESP之后,王盼实验室已经走在寻找抗氧化能力更强的小分子的路上了。他们想要找到一种更理想的有机材料,希望能够以此为基础,可以直接从空气中高效捕获二氧化碳。王盼解释说:“正常空气中二氧化碳仅含量约400-500 ppm,但是氧气含量达到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?又要释放到哪里去?这个化学实验室的终极目标,是打造二氧化碳循环利用的碳闭环。即清洁能源提供的能量,一方面可以进行电化学存储,另一方面可以为从空气中捕获二氧化碳(来源包括工厂废气、汽车尾气等,只要人类还在使用化石燃料,产生的二氧化碳就避无可避)捕获供能;然后,把这些二氧化碳当作为原料进行下一步的转化,产生附加值更高的化学品和清洁能源(比如生产甲醇、乙烯),由此实现良性循环……

碳闭环示意图

听起来又是一个“天方夜谭”是不是?不怕,在未知世界里大胆畅想,正是科研人的本色。

 
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