September 8, 2026

第一作者：侯翔宇 通讯作者：迟晓伟/刘宇 通讯单位：中国科学院上海硅酸盐研究所https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105506ensm.2026.105506 工作简介 针对碱性全铁液流电池负极络合物难以同时兼顾低氧化还原电位、配位稳定性、反应动力学与抑制跨膜等问题，研究团队设计了多羟基丙二胺骨架双磺酸盐配体 PDBS，并构建出六配位八面体状 Fe–PDBS络合物。得益于大尺寸丙二胺骨架、多N/O 配位位点、羟甲基侧链与磺酸基团的协同作用，Fe–PDBS同时表现出较低的氧化还原电位、更宽的电化学稳定窗口、快速电子转移动力学以及显著受抑的配体跨膜。与 Fe–CN 正极匹配后，电池电压达到 1.375 V；在 0.5 M 条件下，电池于 100 mA cm⁻²下实现 80.66% 的能量效率、381.51 mW cm⁻²的峰值功率密度，并在无容量恢复操作下稳定运行 18,000 圈。 感谢中科院上海硅酸盐所刘宇/迟晓伟团队（第一作者：侯翔宇）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 随着风电、光伏等可再生能源的大规模应用，电力系统对安全、低成本长时储能技术的需求日益迫切。液流电池具有安全性高、循环寿命长以及功率与容量相互独立等优势，但传统全钒液流电池受限于钒资源价格，规模化应用成本较高。铁元素储量丰富、价格低廉，因此全铁液流电池具有良好的应用潜力。然而，在强碱条件下，铁负极仍面临络合物稳定性不足、析氢副反应以及活性物质跨膜迁移等问题，难以兼顾电池电压、效率与循环寿命。因此，如何通过合理的配体设计协同调控铁中心的配位结构、氧化还原电位和溶液行为，是发展高性能碱性全铁液流电池的关键。 核心内容 1.分子设计构建六配位Fe–PDBS 研究团队以更大的丙二胺骨架作为主体，为多个配位支链提供更合适的空间取向；增加 N/O 配位位点，使 PDBS 能够充分包围 Fe 中心，形成六配位八面体状结构；引入羟甲基侧链调控 Fe 中心电子环境，推动负极氧化还原电位负移；同时利用磺酸基团提升强碱介质中的水溶性，并构筑带负电的分子界面。 FT-IR、Raman 与 XPS 共同证实了 Fe–N 和 Fe–O 配位键的形成，DFT 计算进一步揭示 Fe–PDBS 的六配位构型。与五配位 Fe–TEA 相比，Fe²⁺–PDBS 和 Fe³⁺–PDBS 均具有更大的 HOMO–LUMO 能隙，说明其电子结构更加稳定。磺酸基团带来的负电界面既可削弱 OH⁻在 Fe 中心附近的富集，也可与全氟磺酸膜形成 Donnan 排斥；多羟基和磺酸基团还使 Fe–PDBS 在强碱中的溶解度达到 1.236 M。 图1. Fe‑PDBS配合物的配体设计与结构稳定性表征。(a)基于Fe‑TEA配合物的传统全铁液流电池体系的反应机理及潜在问题（例如配体交叉和副反应）示意图。(b)采用Fe‑PDBS配合物的新型全铁液流电池体系的反应机理及潜在优势（例如抑制配体交叉、循环稳定性优异）示意图。(c)Fe‑PDBS配合物的傅里叶变换红外光谱。(d)三氯化铁原料、PDBS配体以及Fe‑PDBS配合物的拉曼光谱。(e)Fe‑PDBS配合物的氧1s X射线光电子能谱。(f)Fe‑TEA与Fe‑PDBS配合物的最高占据分子轨道‑最低未占分子轨道能级对比。(g)Fe‑PDBS和(h)Fe‑TEA的静电势分布。   2.Fe-PDBS热力学和动力学分析 循环伏安测试显示，Fe–PDBS 的氧化还原电位为 −1.122 V（vs. SCE），低于 Fe–TEA 的 −1.071 V；其析氢电位则负移至 −1.639 V，相比 Fe–TEA 的 −1.491 V 表现出更高的析氢过电位。由此，Fe–PDBS 的氧化还原反应与析氢反应之间形成 0.517 V 的稳定窗口，在提升全电池电压的同时降低析氢副反应风险。 进一步的旋转圆盘电极测试表明，Fe–PDBS 的扩散系数为 1.6 × 10⁻⁵ cm² s⁻¹，电子转移速率常数 k⁰ 达 1.14 × 10⁻³ cm s⁻¹，与 Fe–CN 正极处于同一数量级。尽管 Fe–PDBS 分子尺寸更大，其柔性骨架仍可降低 Fe²⁺/Fe³⁺转化过程中的结构重组阻力，从而保持快速反应动力学并减小电池极化。 图2 Fe‑TEA与Fe‑PDBS阳极电解液的电化学性能及热力学/动力学分析。(a) 循环伏安曲线。(b) 线性扫描伏安曲线。(c) 氧化还原电位与析氢电位对比。(d) 不同扫描速率下Fe‑PDBS阳极电解液的循环伏安曲线。(e) Fe‑PDBS阳极电解液氧化还原峰电流与扫描速率平方根的线性关系。(f) 不同转速下Fe‑PDBS阳极电解液的旋转圆盘电极极化曲线。(g) 用于计算扩散系数的Fe‑PDBS阳极电解液列维奇图。(h) Fe‑PDBS阳极电解液的库特茨基‑列维奇图。(i) Fe‑PDBS阳极电解液电子转移速率常数的拟合。   3.Fe–PDBS/Nafion/Fe–CN全电池测试 将 Fe–PDBS 负极与 Fe–CN 正极匹配后，所得碱性全铁液流电池的电压达到 1.375 V，在论文统计的已报道同类体系中处于最高水平。在 40–140 mA cm⁻²的电流密度范围内，电池保持良好的倍率性能；在 80 […]