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(chē)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(lèi)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(lài)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