中国科学技术大学杨正金教授等人通过DFT计算结合电化学实验，从分子前线轨道角度，研究了系列Viologen衍生作为水系有机液流电池储能电解质的结构-电化学特性关系，为有机电活性分子的理性设计和合成提供了新思路。
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图1.Viologen衍生物用于水系有机液流电池的理论与实验研究
液流电池是一种大容量电化学储能装置，使用流动的电解质溶液作为储能介质，最显著的特点是可实现功率和容量的独立调控，在可再生能源规模化应用、风（光）电并网、电网削峰平谷等过程中可以起到非常重要的作用。水系有机液流电池是近年来开发的一种新型液流电池体系，相较于传统的基于金属电解质的液流电池，这种体系以水为溶剂，利用来源丰富、结构、性质可调的有机活性材料作为电解质，具有低成本和性能易于调控的优点；尤其是中性水系液流电池体系，对设备要求低、操作方便，具有极大的应用前景。中性水系液流电池体系的负极电解质中，研究最广泛的是Viologen衍生物，但Viologen衍生物的结构如何影响电化学性质及液流电池性能等，尚不明晰。鉴于此，中国科学技术大学杨正金教授、徐铜文教授团队通过设计、合成系列Viologen衍生物，结合模拟计算，研究了Viologen衍生物结构的差异如何导致电解质的电化学性质和液流电池性能的差异。他们以羟基修饰的Viologen衍生物为例，通过控制水溶性功能基团和Viologen母核之间的碳链长度，设计制备了系列衍生物，通过计算机模拟计算了分子的前线轨道（HOMO,LUMO）和分子构型等。除了分子模拟计算，他们开展了包括循环伏安、RDE、极化曲线、对称电池和连续充放电实验等，结果表明：羟基修饰的Viologen衍生物的氧化还原电势与分子的LUMO轨道能量相关，随碳链的增长而降低；氧化还原反应动力学取决于LUMO-HOMO轨道能量差。在结构稳定性方面，对于羟基修饰的Viologen衍生物来说，分子的空间构型对于缓解还原态自由基的双分子二聚起主导作用；而对于季铵基团修饰的Viologen来说，电荷排斥可显著抑制自由基的二聚，与液流电池的循环稳定性测试结果一致。此外，他们组装了浓度高达2M的水系全有机液流电池，是基于Viologen的最高测试浓度，功率密度为110.87 mW cm-2,容量保持率为99.953%/h。该工作为Viologen系列电解质的结构设计和初步筛选提供了很好的指导，对于其他类型的有机电解质设计亦有重要的参考意义。
相关结果发表在ChemSusChem (DOI: 10.1002/cssc.202000381)上，文章第一作者为刘亚华
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202000381
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