“文明的歷史就是人類逐漸控制能量的歷史。”1909年，諾貝爾化學獎得主威廉·奧斯特瓦爾德在《能量的現(xiàn)代理論》中如是寫道。眼見百年過去了，人類控制能量的能力確實增強了嗎？

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，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，我們的文明依然依賴石油；后者，則吐露人類活動所致使的溫室效應勢不可擋……

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，西湖大學王盼團隊與哈佛大學Michael J. Aziz團隊、國科大杭高院季云龍團隊合作，開發(fā)了一類基于吩嗪衍生物的水溶性有機儲能小分子，并提出了在水系有機液流電池充放電過程中實現(xiàn)電化學碳捕獲一體化的方法。也就是說，基于一種新合成的小分子，他們開發(fā)了能夠捕獲與釋放二氧化碳的水系液流電池。

相關成果以“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。西湖大學理學院博士生龐帥、哈佛大學Shijian Jin博士為論文的共同第一作者，西湖大學理學院PI王盼博士、哈佛大學Michael J. Aziz博士、國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，隨著中國電力結構的不斷革新，大型風光項目（即風力發(fā)電與光伏發(fā)電）有望逐步替代化石能源成為基礎負載發(fā)電廠。然而，由于風能、太陽能這樣的清潔能源與天氣變化及地球自轉情況息息相關，風光發(fā)電存在間歇性，并且電力輸出與用電高峰時段存在不同步的情況，因而亟需搭載長時儲能技術。

大體上，業(yè)界將放電時長高于4小時的儲能系統(tǒng)稱作長時儲能。這類系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)與平衡新能源發(fā)電的波動：在能源過剩時將能源儲存起來、避免電網(wǎng)擁堵；在用電高峰時，再將電力輸出。液流電池，正是長時儲能領域一匹被看好的“黑馬”。

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

在提高清潔能源利用率的同時，人類依然需要與傳統(tǒng)化石能源消耗的“副作用”作抗爭：溫室效應給人類生存與發(fā)展帶來持續(xù)而嚴峻的挑戰(zhàn)。二氧化碳的高效捕獲，成為減少溫室氣體對氣候的影響、打造碳中和閉環(huán)的關鍵議題。目前較為常見的技術有胺洗滌法、強堿性溶液吸收、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，西湖大學理學院王盼實驗室在水系液流電池儲能領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)吩嗪類有機小分子在充放電過程中，由于其獨特的質(zhì)子耦合氧化還原特性，會在水溶液中引起“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)來充當這位“碳捕手”。

那么，什么樣結構的分子能完成這個使命呢？

新分子：1,8-ESP，表現(xiàn)優(yōu)異的“家族”新成員

王盼所帶領的有機功能材料實驗室聚焦于以有機合成化學為基礎的功能分子的設計，以材料功能為導向，賦予有機分子獨特的結構特性進行精準合成。換句話說，找到“有用、適用、好用”的小分子，正是他們所擅長的。

2021年，王盼實驗室與合作團隊發(fā)展了新型仿生設計水溶性吩嗪類化合物1,6-AFP，賦予水系有機液流電池體系優(yōu)異的穩(wěn)定性（往期報道：利用氨基酸實現(xiàn)高儲能丨西湖大學王盼實驗室最新成果登上《德國應用化學》封面）；這也是這個實驗室在西湖的第一項成果。之后，他們根據(jù)不同功能及應用場景，開發(fā)了一系列吩嗪“家族”的新成員。新成員1,8-ESP與此前報道的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）。官能團，指的是影響有機化合物的物理化學性質(zhì)的原子或原子團；上一代小分子所使用的是氨基酸，而這一代，團隊換上了磺酸根。

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

二氧化碳捕集-釋放和能量儲存-輸送系統(tǒng)

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

進一步，研究人員測試了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)。略過復雜的數(shù)據(jù)成績單不提，概括來講，這個小分子及其發(fā)展而來的電池，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，王盼實驗室成功實現(xiàn)了對二氧化碳的高效高容量捕集。在實際運行過程中，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)，也可同時進行能量存儲。該系統(tǒng)能夠根據(jù)市場與實際需求，來進行儲能與碳捕集的及時調(diào)整與響應，以獲得最大經(jīng)濟效益。

新挑戰(zhàn)：志在“碳閉環(huán)”的化學實驗室

科學探索的魅力常常在于我們在“無心插柳”處，意外發(fā)現(xiàn)新的曙光，進而蔚然成蔭。

正如先前提到的，設計、合成有機新材料、新化合物，并為它們找到不同的應用場景，是王盼實驗室的主軸。早在2021年春節(jié)前后，在前一項關于高溫水系有機液流電池的成果發(fā)表在了Joule雜志后，他們便啟動了對1,8-ESP的合成研究。

顯然，他們并不滿足于僅僅用它來打造單一的儲能系統(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、王盼實驗室的博士生龐帥回憶說，他們?yōu)榇伺c水系有機液流電池領域“鼻祖”、美國哈佛大學Michael J. Aziz博士取得了聯(lián)系，也與擅長電池工程測試的國科大杭州高等研究院季云龍博士的團隊形成了合作；在漂洋過海的聯(lián)合研究與反復探索中，終于實現(xiàn)了電化學介導的高效低能耗二氧化碳捕集技術。

而在這兩年多來，這個成立不過三年多的年輕實驗室，展現(xiàn)出了西湖人最大的特點：敢想敢干。對材料的設計與合成的經(jīng)驗，對化學反應過程機理的探究，是他們的優(yōu)勢，從頭搭建一個二氧化碳的吸收環(huán)境，是他們此前從未涉足過的領域，但不懼從零起步，實驗室果斷跨界尋求合作，與國內(nèi)外最頂尖的實驗室一起干。

成果來之不易，但對始終志在“更好”的科研人而言，每一次突破，都意味著下一個全新的開始。在1,8-ESP之后，王盼實驗室已經(jīng)走在尋找抗氧化能力更強的小分子的路上了。他們想要找到一種更理想的有機材料，希望能夠以此為基礎，可以直接從空氣中高效捕獲二氧化碳。王盼解釋說：“正常空氣中二氧化碳僅含量約400-500 ppm，但是氧氣含量達到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？這個化學實驗室的終極目標，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，一方面可以進行電化學存儲，另一方面可以為從空氣中捕獲二氧化碳（來源包括工廠廢氣、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可避）捕獲供能；然后，把這些二氧化碳當作為原料進行下一步的轉化，產(chǎn)生附加值更高的化學品和清潔能源（比如生產(chǎn)甲醇、乙烯），由此實現(xiàn)良性循環(huán)……

碳閉環(huán)示意圖

聽起來又是一個“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。