吸附能驱动的催化电极设计策略提升水系吩嗪液流电池电化学性能

针对碳基电极对有机活性物质吸附能力不足制约液流电池性能的难题，中国科学院团队通过过渡金属/氮掺杂碳（TMs/NC）复合催化剂设计，首次建立吸附能与电极活性的关联机制。研究发现Co/NC催化剂通过优化TMs-N-C界面比例，显著提升苯并[a]羟基吩嗪-7/8-羧酸（BHPC）和质子吸附能力，使电池电荷转移速率提升3倍，为有机液流电池（AORFBs）电极设计提供新范式。

　　

可再生能源的间歇性特性对大规模储能技术提出迫切需求，水系有机液流电池（AORFBs）因其安全性和分子可设计性成为研究热点。其中吩嗪衍生物苯并[a]羟基吩嗪-7/8-羧酸（BHPC）凭借双电子转移特性展现出优异储能潜力，但传统碳毡（CF）电极对有机活性物质的吸附能力不足导致反应动力学迟滞。这一瓶颈问题亟待通过电极材料创新予以突破。

针对这一挑战，常州大学Haiguang Gao团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过密度泛函理论（DFT）计算指导设计系列过渡金属/氮掺杂碳（TMs/NC）复合催化剂，系统探究了催化剂组分对BHPC和质子吸附能的调控规律。研究采用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）表征材料形貌，通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）评估电极性能，并构建全电池验证实际应用效果。

模拟结果揭示吸附能调控机制
DFT计算表明Co/NC催化剂在TMs侧对BHPC的吸附能（-2.31 eV）显著低于Ni/NC（-1.89 eV）和Cu/NC（-1.45 eV），这种差异源于Co 3d轨道与BHPCπ体系的特殊相互作用。质子吸附实验进一步证实Co/NC具有最优的氢吸附自由能（ΔG_H*=-0.12 eV），为后续电极设计提供理论依据。

材料表征验证结构优势
XPS分析显示Co/NC中吡啶氮含量达38.7%，高于对比组材料。同步辐射证实Co-N₄配位结构占比61.2%，这种特殊构型有效提升了TMs-N-C界面活性位点密度。BET测试表明Co/NC比表面积达812 m²/g，为BHPC吸附提供丰富场所。

电化学性能突破
在0.5 M BHPC电解液中，Co/NC/CF电极表现出最小的电荷转移电阻（R_ct=0.8 Ω），表观扩散系数（D=3.2×10^-6 cm²/s）较原始CF提升两个数量级。全电池测试显示能量效率（EE）达84.5%，且在500次循环后容量保持率超过95%，显著优于已报道的钒液流电池（VRFBs）体系。

该研究创新性地将HER催化剂设计理念引入液流电池电极开发，首次建立"吸附能-电极活性"的定量构效关系。通过精准调控Co-N-C界面电子结构，实现有机活性物质与质子协同吸附强化，为新一代高性能AORFBs电极设计提供了普适性策略。这种基于材料本征性质的理性设计方法，对推动液流电池从实验室走向规模化应用具有重要指导意义。