研究人員開發(fā)基于鹵素多電子轉(zhuǎn)移的高能量密度水系電池

分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬已成為不斷發(fā)展的分子生物學(xué)和藥物開發(fā)領(lǐng)域的強(qiáng)大工具。雖然存在許多 MD 模擬技術(shù)，但在研究蛋白質(zhì)的折疊(或“構(gòu)象”)或蛋白質(zhì)與配體之間的相互作用時(shí)，并行級(jí)聯(lián)選擇 MD (PaCS-MD) 是一種特別有用的技術(shù)。

該方法的關(guān)鍵在于并行運(yùn)行多個(gè) MD 模擬，從而同時(shí)探索不同的可能構(gòu)象。使用精心設(shè)計(jì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以在“時(shí)間快照”中自動(dòng)檢測(cè)有希望的構(gòu)象并進(jìn)行進(jìn)一步研究。這種策略極大地加速了關(guān)鍵分子相互作用和動(dòng)態(tài)過程的發(fā)現(xiàn)，幫助科學(xué)家了解蛋白質(zhì)功能運(yùn)動(dòng)。

然而，PaCS-MD 的障礙之一是用戶必須編寫自定義腳本來執(zhí)行所需的 MD 模擬。在這些腳本中，他們必須指定初始條件和目標(biāo)特征，選擇要使用的MD軟件，實(shí)施快照排名程序，并為下一個(gè)模擬周期準(zhǔn)備初始結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程可能非常復(fù)雜且容易出錯(cuò)，為有興趣使用 PaCS-MD 的科學(xué)家設(shè)置了相當(dāng)大的進(jìn)入障礙。

幸運(yùn)的是，日本東京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的一組研究人員最近著手解決這個(gè)問題。在由 Akio Kitao 教授領(lǐng)導(dǎo)的《物理化學(xué)雜志 B》上發(fā)表的最新研究中，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)名為 PaCS-Toolkit 的軟件包，以使 PaCS-MD 更易于使用。

PaCS-Toolkit 的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)模擬過程是通過單個(gè)配置文件設(shè)置的。在此文件中，用戶指定模擬的重要參數(shù)，包括 PaCS-MD 的類型、并行運(yùn)行的 MD 模擬的數(shù)量以及要跟蹤的蛋白質(zhì)殘基或原子，作為并行分支的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

PaCS-Toolkit 采用此配置文件以及標(biāo)準(zhǔn) MD 輸入文件，并根據(jù)指定的 MD 軟件運(yùn)行 PaCS-MD 模擬。值得注意的是，由于該軟件包是用 Python(一種流行的編程語言)編寫的開放軟件，用戶可以幫助改進(jìn) PaCS-Toolkit 并擴(kuò)展其功能。

“我們的工具包保持了靈活性，因此可以通過在 Python 中引入負(fù)責(zé)的類來添加新功能、庫和 MD 軟件?？梢允褂眠@種語言進(jìn)行編程的用戶應(yīng)該能夠修改 PaCS-Toolkit 的代碼并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)新方法， “北尾教授說。

傳統(tǒng)的非水鋰離子電池具有高能量密度，但由于使用易燃有機(jī)電解質(zhì)，其安全性受到影響。

水系電池使用水作為電解質(zhì)的溶劑，顯著提高了電池的安全性。然而，由于電解質(zhì)的溶解度有限和電池電壓低，水系電池通常具有較低的能量密度。這意味著水系電池單位體積儲(chǔ)存的電量相對(duì)較低。

在《自然能源》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李先鋒教授課題組與大連化學(xué)物理研究所付強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出基于溴和碘的多電子轉(zhuǎn)移陰極，實(shí)現(xiàn)了超過840 Ah/L的比容量，在全電池測(cè)試中基于陰極電解液實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1,200 Wh/L的能量密度。

為了提高水系電池的能量密度，研究人員使用碘離子(I -)和溴離子(Br-)的混合鹵素溶液作為電解質(zhì)。他們開發(fā)了一種多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將 I-轉(zhuǎn)移到碘元素 (I2)，然后轉(zhuǎn)移到碘酸鹽 (IO3-)。

充電過程中，正極上的I-被氧化為IO3- ，生成的H+以支持電解質(zhì)的形式傳導(dǎo)至負(fù)極。放電過程中，H+從正極傳導(dǎo)，IO3-被還原為I-。

所開發(fā)的多電子轉(zhuǎn)移陰極的比容量為840 Ah/L。研究人員將陰極與金屬鎘結(jié)合形成全電池，基于所開發(fā)的陰極電解液實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 1,200 Wh/L 的能量密度。

研究人員證實(shí)，電解液中添加的Br-在充電過程中會(huì)生成極性溴化碘(IBr)，從而促進(jìn)與H2O反應(yīng)形成IO3-。放電過程中，IO3-可以將Br-氧化為Br2 ，并參與電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)IO3-的可逆快速放電。

因此，充放電過程中形成的溴化物中間體優(yōu)化了反應(yīng)過程，有效提高了電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和可逆性。

傅教授課題組通過原位光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜等證明了多電子轉(zhuǎn)移過程。

　　免責(zé)聲明：本文由用戶上傳，與本網(wǎng)站立場(chǎng)無關(guān)。財(cái)經(jīng)信息僅供讀者參考，并不構(gòu)成投資建議。投資者據(jù)此操作，風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除！