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《Nature》:多肽有機(jī)自由基電池

時(shí)間:2021-05-10 10:30來(lái)源:高分子材料科學(xué) 作者:綜合報(bào)道
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  在僅幾十年的時(shí)間里,鋰離子電池就徹底改變了技術(shù),使便攜式設(shè)備和電動(dòng)汽車迅速普及,為社會(huì)帶來(lái)了巨大利益。然而,技術(shù)的飛速發(fā)展凸顯了開(kāi)采鋰,鈷和其他礦產(chǎn)資源的道德和環(huán)境挑戰(zhàn),以及與安全使用和無(wú)害處置電池相關(guān)的問(wèn)題。 僅一小部分鋰離子電池被回收,這進(jìn)一步加劇了全球戰(zhàn)略要素的材料供應(yīng)。一種潛在的替代方法是使用基于有機(jī)物的氧化還原活性材料來(lái)開(kāi)發(fā)可充電電池,該電池源自符合道德標(biāo)準(zhǔn)的可持續(xù)材料,并能夠按需進(jìn)行解構(gòu)和重建。 制造此類電池具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)榛钚圆牧显谶\(yùn)行期間必須穩(wěn)定,但使用壽命終止時(shí)可降解。此外,降解產(chǎn)物應(yīng)在環(huán)境上無(wú)害或可回收再利用,以重建成新電池。
 
  【科研摘要】
 
  最近, 德州農(nóng)工大學(xué) Jodie L. Lutkenhaus 和 Karen L. Wooley 教授 團(tuán)隊(duì) 展示了 一種不含金屬的,基于多肽的電池,其中紫精和氮氧化物自由基作為氧化還原活性基團(tuán)沿著多肽主鏈被引入,分別充當(dāng)陽(yáng)極和陰極材料。這些氧化還原活性多肽用作在電池運(yùn)行期間穩(wěn)定的活性材料,隨后在酸性條件下按需降解以生成氨基酸,其他結(jié)構(gòu)單元和降解產(chǎn)物。 這種基于多肽的電池是解決未來(lái)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中對(duì)綠色和可持續(xù)電池的替代化學(xué)需求的第一步。相關(guān)論文以題為 Polypeptide organic radical batteries 發(fā)表在《 Nature 》上。
 
  【主圖導(dǎo)讀】
圖 1:基于多肽的有機(jī)自由基電池。
圖 2:氧化還原活性多肽的合成。
圖 3:氧化還原活性多肽的循環(huán)伏安圖。
圖 4:多肽復(fù)合半細(xì)胞和全細(xì)胞的電化學(xué)反應(yīng)。
圖 5:紫精和biTEMPO多肽的降解。
 
  【總結(jié)】
 
  團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種無(wú)金屬的全多肽有機(jī)自由基電池,該電池包含可按需降解的氧化還原活性氨基酸大分子。這一概念代表了朝著可持續(xù),可循環(huán)再利用的電池邁出的第一步,并將全球?qū)?zhàn)略金屬的依賴性降至最低。 紫精和 biTEMPO多肽的陽(yáng)極和陰極分別是通過(guò)高反應(yīng)性環(huán)狀N-羧基酐的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng),隨后進(jìn)行順序的聚合后修飾以引入氧化還原活性基團(tuán)而合成的。多肽電池的最大充電容量為37.8 mA h g -1 (理論容量為44.5 mA h g -1 )。 活性成分在酸的存在下按需降解,以再生起始氨基酸和其他結(jié)構(gòu)單元。展望未來(lái),主要挑戰(zhàn)是防止活性物質(zhì) 溶解和提高整體電池容量。未來(lái)的研究應(yīng)集中在通過(guò)交聯(lián),后處理修飾 45或利用多肽在液流電池中的溶解度來(lái)防止多肽溶解。
 
  參考文獻(xiàn) : doi.org/10.1038/s41586-021-03399-1
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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