气候变暖和风光发电的间歇性是全球人类的共同挑战。但如果说有一种方法，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？
最近这样的愿景就要照进现实。西湖大学王盼团队与美国哈佛大学、中国科学院大学研发团队合作，开发了一类基于吩（fēn）嗪（qín）衍生物的水溶性有机储能小分子，利用水系有机液流电池在充放电过程中实现了电化学碳捕集。
等等，吩嗪衍生物、水溶有机分子、水系有机液流电池……可能会有人会问，这些词说的都是啥？不着急，咱们一个一个来看。
要介绍这项新技术，我们要从介绍液流电池开始。
目前我们生活中所接触到的电池，比如电动车电池、手机电池，以及新能源配套使用的储能电池，大部分都属于固态的二次锂离子电池，利用化学反应的可逆性，实现充电和放电。
而液流电池是由L.H.Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术。顾名思义，液流电池不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池，其活性物质是流动的电解质溶液。
液流电池是一种新的蓄电池，由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，正负极电解液分开存储于外部的储液罐中，并且能够各自循环。
充电时，正极发生氧化反应使活性物质价态升高，负极发生还原反应使活性物质价态降低，放电过程与之相反。
液流电池作为一种新型储能，它最显著特点是规模化、长时储能。
而“水系有机液流电池（AORFBs）”指的则是将具有氧化还原活性的有机分子溶解在水溶液中，对可逆氧化还原行为实现电能储存/释放。
在本次的技术突破中，王盼实验室就发现，吩嗪类有机小分子（1,8-ESP）在充放电过程中，由于其独特的质子耦合氧化还原特性，会在水溶液中引起酸碱变化，即“pH摇摆”现象。
通过这一现象，液流电池系统也能变成“捕碳”小能手。
图说：水系有机液流电池系统示意图，负极(Negolyte)电解液为1，8-ESP溶液
吩嗪及其衍生物是一种有机化合物，最早的应用是在染料上，后来人们发现它具有生物活性，还可以用作杀菌剂。没想到如今在缓解气候变化的领域也能有一席用武之地。
并且，有机活性分子一般对电极要求低，基本不需要使用催化活性材料，这点和笔者之前介绍的需要各种催化剂的二氧化碳-锂电池相比，更加具有优势。
此外，不管是以水溶液作为支持电解液，还是利用有机活性分子，相比之下也都更加环境友好、安全环保。
01
有机小分子如何实现碳捕获？
根据公开信息可以发现，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，而找到“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，这也是这个实验室在西湖大学的第一项成果。
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。而新成员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。
新一代的1,8-ESP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。
下图为1,8-ESP的二氧化碳捕集-释放和能量储存-输送系统示意图。
来源：WestLake University
基于有机分子氧化还原反应机理，在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。
由于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。
02
表现优异的1,8-ESP
“在实际运行过程中，以吩嗪有机小分子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。该系统有望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。”王盼说。
研究人员还进一步测试了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。
该体系具有0.86-1.41 mol/L的二氧化碳捕集容量和每天 <0.01% 的极低容量衰减率，其能量成本可低至36 kJ/mol，可长时间连续稳定运行。除此之外，该电化学过程能耗低且安全友好。
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。
可能又有人会问了，捕捉到更多二氧化碳之后，又要释放到哪里去呢？
打造“碳闭环”是王盼实验室的最终目标。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。
图说：碳闭环示意图
来源：WestLake University
在捕获之后，这些二氧化碳就可以被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。
希望在不久的将来，该技术就能走出实验室，在气候变化的课题上发挥更大作用。
