Nature:一个开创性的电池!
vivi 2021-05-07

在短短几十年时间里,锂离子电池带来了技术革命,使便携式设备和电动汽车得以普及,故而为社会带来了巨大的利益。然而,技术快速发展的同时也使得开采锂、钴和其他矿产资源的伦理和环境受到了极大挑战,除此之外与电池的安全使用和无害处理相关的问题也日益突出。


故而,一种潜在的替代方案是使用有机氧化还原活性材料来开发可充电电池,这些电池来源于满足可持续发展要求的材料,并能够按需进行解构和重建。然而,由于活性材料必须在运行过程中保持稳定,且在寿命结束时可降解,使得制造这种电池成为该领域的一项挑战。此外,降解产物应该是环境良性的或可回收的。


多肽基生物电池

有鉴于此,德州农工大学的Jodie L. Lutkenhaus和Karen L. Wooley教授等发展了一种无金属的多肽基电池,其中紫罗精和氮氧化物自由基作为氧化还原活性基团环绕着多肽骨架,分别作为负极和正极材料。这种基于多肽的电池是解决未来循环经济中绿色和可持续电池的替代化学需求的第一步。


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第一作者:Tan P. Nguyen, Alexandra D. Easley

通讯作者:Jodie L. Lutkenhaus,Karen L. Wooley

通讯单位:德州农工大学


研究亮点

1、全新的无金属全多肽有机自由基电池,该电池包含可按需降解的氧化还原活性氨基酸大分子。

2、将全球对战略金属的依赖性降至最低,这一概念代表了朝着可持续、可循环再利用的电池迈出的重要第一步。

3、电池活性成分在酸的存在下可以按需降解,以再生起始氨基酸和其他材料。



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图1多肽基有机自由基电池。


研究人员发展了一种无金属的按需可降解的多肽基电池。多肽骨架周围的紫罗精和氮氧化物自由基作为氧化还原活性基团,分别充当负极和正极材料。上述氧化还原活性多肽作为活性材料,在电池运行期间是稳定的,但是在随后的酸性条件下可以按需降解,生成氨基酸、其他构件和降解产物。通过将可降解多肽骨架与氧化还原活性部分的储能特性相结合,这种多肽生物电池解决了传统锂离子电池的一些挑战(例如,稀缺资源的使用、安全问题和高成本的回收。



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图2氧化还原活性多肽的合成。


与锂离子电池相比,有机电池有望提高环境友好性,同时不依赖战略金属资源,达到更加迅速的充电速度。有机自由基电池中研究最多的活性材料是在不可降解的脂肪族骨架上携带氧化还原活性基团的聚合物,如2,2,6,6-四甲基-4-哌啶-1-氧基(TEMPO)和4,4 ' -联吡啶衍生物(紫罗精)。虽然有一些报道研究了氧化还原活性可降解聚合物,也有一些探索了全聚合有机电池,但没有一个研究将这两个概念结合起来。如果能创造出按需降解的全聚合金属电池,这将是设计可持续、可回收电池的重要一步。


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图3氧化还原活性多肽的循环伏安曲线。


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图4半电池和全电池多肽复合物的电化学响应。


基于上述想法,研究者认为多肽骨架上具有氧化还原活性基团可能为可降解有机自由基电池提供一个合适的材料平台。他们设计并合成了含有氧化还原活性基团的多肽正极,测定了它们的氧化还原活性,并确定了它们在全多肽电池中的行为。


首先,将每个多肽组装成一个锂金属半电池,用以阐明其基本的储能特性。然后,构建了一个无金属的多肽基全电池。同时,为了证明可回收性,在酸性条件下进行了水解降解,并确定了降解产物。此外,还探索了完整的氧化还原活性多肽及其降解产物对三种不同细胞类型生存能力的影响。


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图5紫罗精和biTEMPO多肽的降解。


紫罗精和biTEMPO多肽首先是通过高反应性环状N-羧基酐的开环聚合反应,随后进行顺序的聚合后修饰以引入氧化还原活性基团而合成的。研究发现,该多肽生物电池的最大充电容量为37.8 mA h g-1(理论容量为44.5 mA h g-1)。循环50次后,电极未出现明显衰减,由降解产物重建聚合物将是可回收性的有力证据。研究证明,氧化还原活性聚合物可以通过以下方式进行重构:

(1)再生的谷氨酸可以直接作为主要合成原料利用到紫罗精和biTEMPO多肽的合成中;

(2)通过4-羟基TEMPO的两个降解产物DS-5和DS-6的分离、中和和氧化,可以回收4-OH-TEMPO自由基,然后将其送入biTEMPO多肽的合成途径中;

(3)紫罗精多肽侧链的降解产物DS-3可以与聚(1-谷氨酸)结合以再生紫罗精多肽。

通过将可降解多肽骨架与氧化还原活性部分的储能特性相结合,这种生物激发多肽电池解决了传统锂离子电池的一些挑战(例如,稀缺资源的使用、安全问题和高成本的回收)。


展望未来

1、主要挑战是防止活性物质的溶解和提高整体电池容量。

2、未来的研究应集中于通过交联、后处理修饰或利用多肽在流动电池中的溶解性来防止多肽的溶解。


参考文献

Nguyen, T.P., Easley, A.D., Kang, N. et al. Polypeptide organic radical batteries. Nature 593, 61–66 (2021).

DOI:10.1038/s41586-021-03399-1

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03399-1




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