【青年科學家故事】西湖大學女博導王盼：失敗帶給你更正確方向
創新引入氨基酸 水系電池更長壽
王盼博士，2010年本科畢業於中南大學，獲理學學士學位；2015年畢業於中國科學院上海有機化學研究所，獲博士學位，導師為唐勇院士。2016年-2019年，在麻省理工學院MIT從事博士後研究，合作導師為美國國家科學院、美國藝術與科學院雙院院士Timothy M. Swager教授。於2019年11月入職西湖大學理學院（PI/博導），組建有機功能高分子能源材料實驗室。
「基礎科研可能一百次實驗都失敗，但這一百次失敗讓你知道那一百條路都是不行的，所以你走了這一百零一條路，這條路剛好就可以。而這一次的成功是積累在之前那一百次失敗經歷上的。」西湖大學有機高分子材料實驗室的王盼說這番話時深有感觸，曾多次經歷「實驗失敗」的她在西湖大學實驗室拚出了「西湖速度」，半年時間，她帶領的課題組和合作團隊一篇關於水系液流電池儲能的論文，作為封面文章在國際化學頂級刊物《德國應用化學》上發表，備受同行稱讚，說這是一個很大的突破。「失敗其實可以帶給你一些更正確的方向。」王盼笑着說。●香港文匯報記者 茅建興 杭州報道
王盼的研究是針對使用化石能源帶來的溫室效應等環境問題，迫使人類亟需發展清潔可再生能源而展開的，近年科研發現以水為介質的有機液流電池，成為了未來具有高安全性的儲能系統。「之前研究者可能沒有很細緻的去研究有機儲能物質，包括電池循環的穩定性、造成化合物降解的原因及其降解途徑和機理。我要求學生電池循環後的電解液必須保留，來研究它在循環過程中發生了什麼樣的化學反應？」正是追着這個問號，王盼發現利用氨基酸可以實現水系電池的高效儲能。
「我們這個儲能材料，是通過有機化合物得失電子的過程，把電能儲存到化學結構裏來，通過化學結構本身的一個氧化還原反應，實現電能與化學能的相互轉化。比如儲存電子的時候是還原反應，釋放的時候是氧化反應，通過這樣一個化學可逆的氧化還原反應，實現電能的儲存和釋放。」
原理簡單，實現卻不容易，王盼團隊做的是水系有機液流電池，強調是水系，是因為現在大型儲能裝置更多使用的是有機溶劑作為介質，但這樣大規模的儲能，涉及到很大的儲能裝置，如果使用有機溶劑作為介質就非常危險，會帶來燃燒爆炸的風險。而使用水作為介質，則會安全很多，並且更加環境友好。
這個領域最大的挑戰在於要盡可能地增加有機化合物的水溶性，難度很大。第二個難題就是有機物的化學穩定性，跟無機物相比有機物都會有降解的問題，包括有機物能夠吸收紫外可見光，特別是在有氧的條件下，會發生光化學反應，自己就會降解。第三個難題就是如何實現單個有機分子儲存足夠多的電子，即提高其能量密度。
利用氨基酸實現高儲能
王盼團隊使用氨基酸作為一個來源，然後接到吩嗪的化學結構上，這類化合物非常環境友好。吩嗪本身是個染料，天然氨基酸來源廣泛，環境友好。這類儲能物質在液流電池循環結束後，可以加酸沉澱，對它進行回收。從安全性環保角度考慮，非常有優勢。
在這個領域之前還沒有人將氨基酸引入到吩嗪結構中來，這是王盼團隊的新發現。氨基酸很容易想到的，因為它本來就水溶，但最主要的難題就是怎麼把氨基酸接上去，在合成過程中充滿挑戰。「剛開始我們做的時候總是合成不出來，用了很多催化劑，都很難實現。我讓學生試了很多不同的條件，但產率很低，後續通過不斷優化反應條件，提高了產率，現在我們使用1%的催化劑則可以達到95%-98%的產率。」
更關鍵的突破在於，王盼團隊實驗的有機液流電池，是目前所有水系的有機液流電池裏面最穩定的一個，效果非常好。「我們通過化學的手段，包括用核磁、質譜、紅外這些方式都沒有觀察到化合物本身的降解，化合物本身非常穩定的，我們還在做一個高溫測試，比如放在60度的水中保存，目前已經有四個月了，也特別穩定，沒有看到任何降解。」
未來可用於新能源電網
王盼表示，液流電池的儲能應用場景適用於大規模的電網儲能服務，比如在電網用電高峰的時候，可以將儲存的能量釋放出去，來彌補電網的不足。在太陽能、風能都很豐富的時候，電網消耗不了這麼多電，儲存起來，達到了削峰平谷的目的。
「目前商業使用比較多的是水系的鐵鉻的液流電池和礬電池。傳統的礬電池在溫度升高時容易沉澱析出，造成了容量的衰減。而我們的水系有機液流電池有機物不會沉澱析出，具有非常優秀的化學和電化學穩定性。」王盼表示，以目前在實驗室裏小量的合成成本，該儲能材料大概是8元一克。而如果要推廣工業化，在工藝上優化，價格肯定能下來。「而且氨基酸很便宜，成本很低。」
