《Nature Communications》：Universal complexing agent enabling advanced iron-cerium redox flow batteries
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《自然·通讯》最新研究推荐：为解决可再生能源并网储能难题，研究团队开发了一种基于二乙烯三胺五乙酸(DTPA)通用络合剂的中性铁-铈液流电池体系。该电池在40 mA cm-2电流密度下能量效率达87.7%，循环500次后容量保持率95.3%，其创新性在于通过统一络合剂策略有效抑制跨膜渗透和水迁移现象，为低成本长寿命储能技术开辟新途径。
随着全球能源转型进程加速，太阳能、风能等可再生能源的间歇性并网问题日益凸显。如何构建安全、经济、高效的大规模储能系统，成为制约清洁能源消纳的关键技术瓶颈。在众多储能技术中，氧化还原液流电池(Redox Flow Battery, RFB)因其本征安全性、功率-容量解耦特性等优势备受关注。然而，当前最成熟的全钒液流电池受制于钒资源稀缺性，而铁-铬、锌-溴等其他体系又分别存在铬失活、溴腐蚀、锌枝晶等问题。特别值得注意的是，传统液流电池在应对电网频率调节等动态应用场景时，其自放电特性往往成为性能短板。
针对这一系列挑战，北京化工大学孙振宇教授团队联合中国科学院金属研究所等机构，在《自然·通讯》发表了一项创新性研究。他们巧妙利用配位化学原理，开发出基于二乙烯三胺五乙酸(Diethylenetriamine pentaacetic acid, DTPA)通用络合剂的铁-铈液流电池系统，成功实现了中性环境下高效率和长循环寿命的完美平衡。
研究团队通过分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟与密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算相结合的策略，系统筛选了含不同羧基数量的有机配体。模拟结果显示，具有五个羧基的DTPA分子与铁、铈离子均能形成稳定配位结构，其中Fe-DTPA的配位数为3.7，Ce-DTPA为4.55，且金属-配体键长（Fe-DTPA约1.94 ?）明显短于金属-水合键（Fe-H2O约2.11 ?），证实了其强配位能力。理论计算进一步表明，DTPA与铁、铈的结合能分别达-178 kcal mol-1和-1427 kcal mol-1，显著优于其他对比配体。
实验表征结果与理论预测高度吻合。拉曼光谱在450-500 cm-1处出现Fe-DTPA特征峰，傅里叶变换红外光谱在935 cm-1处观察到配位键振动峰。同步辐射X射线吸收精细结构谱分析证实，Fe-DTPA中存在1.98 ?和2.17 ?两种键长，与模拟结果高度一致。前沿分子轨道计算显示，Fe-DTPA和Ce-DTPA的HOMO-LUMO能隙分别为4.82 eV和0.42 eV，为电子转移提供了有利条件。
在电解质物化性能方面，研究团队通过紫外-可见吸收光谱测定Fe-DTPA和Ce-DTPA的最大溶解度分别达0.858 M和0.927 M。值得注意的是，两种电解质在浓度高于0.6 M时仍保持相近的粘度和电导率，这种物化性质的匹配有效降低了跨膜渗透驱动力。膜渗透测试显示，DTPA配位带来的空间位阻效应显著抑制了活性物质的跨膜迁移。
电化学性能测试表明，在pH=4-7的中性环境下，Fe-DTPA和Ce-DTPA分别展现出-0.28 V和0.64 V（相对于饱和甘汞电极）的稳定氧化还原电位，理论电池电压达0.92 V。循环伏安测试显示氧化还原过程受扩散控制，且经过500次循环后电极反应保持高度可逆性。
组装的全电池在40 mA cm-2电流密度下能量效率达87.7%，100 mA cm-2时仍保持80.6%。尤为突出的是，在100%充电状态(State of Charge, SOC)下循环500次后，电池容量保持率达95.3%，能量效率稳定在86.3%左右。即便在80 mA cm-2高电流密度和70% SOC条件下循环1779次，电池容量仍未见衰减。原位拉曼光谱监测证实，在不同SOC下Fe-DTPA和Ce-DTPA配位结构保持稳定，且Ce-DTPA溶液颜色随SOC变化呈现规律性变化，为荷电状态可视化监测提供了可能。
该研究创新性地提出"通用络合剂"策略，通过统一正负极电解液的配体组成，从根本上解决了传统液流电池中因组分差异导致的跨膜渗透和水迁移问题。这种设计理念不仅适用于铁-铈体系，也为其他多金属液流电池系统开发提供了新思路。随着可再生能源占比持续提升，这种兼具高效率和长寿命特性的储能技术，有望在电网调峰和频率调节等应用场景发挥重要作用。
研究方法方面，作者主要采用分子动力学模拟筛选配体、同步辐射技术解析配位结构、循环伏安法评估电化学性能、全电池测试验证实际效能，并结合光谱分析手段追踪反应过程。
理论计算与结构表征
通过分子动力学模拟揭示DTPA与金属离子的配位特性，结合光谱技术证实配位结构稳定性，为电解质设计提供理论依据。
光学与物化性能
系统测定电解质的溶解度、粘度和电导率等关键参数，验证物化性质匹配性对电池性能的积极影响。
电化学性能研究
明确中性环境为最佳工作条件，证实DTPA配位显著提升电极反应可逆性和循环稳定性。
液流电池性能评估
全电池测试验证该体系在高电流密度下的卓越性能，长期循环数据支撑其实际应用潜力。
研究结论表明，基于DTPA通用络合剂的铁-铈液流电池成功解决了传统体系面临的配体穿梭、水迁移等问题，其中性工作环境、高效率和长循环寿命特性，为大规模储能应用提供了新的技术路径。该工作不仅推进了液流电池材料设计理论，也为可再生能源的高效利用提供了切实可行的解决方案。
