使用水作為介質的水系有機液流電池，是具有較高安全性的儲能系統。近日，西湖大學理學院王盼課題組及其合作團隊發展了新型仿生設計水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機液流電池體系優異的穩定性（即極低的電池容量衰減）。該研究提供了一種新型高穩定性水系有機分子結構骨架設計策略，為進一步設計構建高性能水系液流電池提供了重要理論依據。近日，這一成果作為封面文章發表于化學頂刊《德國應用化學》。
“簡版”的水系液流電池系統
王盼（二排右一）帶領團隊探索新材料。
在水系液流電池領域，一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環等有機結構骨架的分子，已展現了較為良好的性能和應用前景。然而，目前絕大部分研究工作都是基于商業可得的已知功能染料分子；基于吩嗪類有機結構骨架的衍生物，在前序報道僅有幾個例子，均存在水溶性差和會發生化學分解（即不穩定）等問題，且該類化合物衰減機理尚不明確。
為改進現狀，西湖大學的研究人員將目光投向了自然界來源廣泛的氨基酸。作為蛋白質的基本單元，氨基酸是正常代謝、維持生命的基礎物質，通過折疊組裝構成蛋白質特定的分子結構，賦予其生物活性。研究人員創新地使用氨基酸作為功能化基團（即官能團），引入到吩嗪骨架通過簡單的一步偶聯反應，利用氨基酸的水溶性特點及給電子特性，合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有雙電子轉移中心的水溶性吩嗪類衍生物（AFP）。
氨基酸的給電子特性，降低了電池氧化還原的電勢，拓寬液流電池的工作電壓范圍。而氨基酸的天然水溶性特點，進一步提高了液流電池的能量密度。
課題組系統地探究了吩嗪衍生物“AFP家族”的不同“成員”（即不同支鏈及不同位置的氨基酸），對水系液流電池性能的影響。結合核磁、高分辨質譜、CV測試等分析手段，他們考察了該類化合物在氧化/還原狀態下的穩定性。
研究表明，1,6—AFP具有穩定的氧化態和還原態。盡管1,8—AFP、2,7—AFP同樣具有穩定的氧化態，但其還原態易于發生氫的互變異構，失去氧化還原活性并進一步降解，在電池測試中其容量迅速衰減。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算，結合實驗結果，對該類化合物的衰減機制做了詳盡分析，同時對其他不同氨基酸和取代位做了系統的總結與預測。
明星分子1,6—AFP在pH8,1M電子濃度下，在水系液流電池的長時間的恒壓充放循環過程中表現優異。在實驗測試了99天之后，通過核磁及電化學手段并沒有觀察到任何化學分解。該液流電池具有極低的容量衰減（0.000002%每圈, 0.0015%每天），在長時間充放電的狀態下，僅表現出每年0.5%的衰減——這是目前所有報道中，有機液流電池低衰減的新紀錄保持者，在水系儲能系統中具有強大的應用價值。