乔世璋/郝俊南团队Joule：Bislawsone氧化还原介体实现高性能多硫化物液流电池 | Cell Press论文速递

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2026-04-01 17:08发布于北京CellPress细胞科学官方账号

问AI · bislawsone如何通过锚定拖拽机制提升反应动力学？

物质科学

Physical science

2026年3月26日，阿德莱德大学的乔世璋院士和郝俊南研究员等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题为“Bislawsone as a Robust Redox Mediator for High-Performance Aqueous Polysulfide Redox Flow Batteries”的文章。该工作提出将bislawsone作为一种新型氧化还原介体，引入水系多硫化物液流电池体系，以解决多硫化物离子还原动力学缓慢这一长期限制该体系发展的关键问题。与传统固体催化剂相比，bislawsone作为均相氧化还原介体显著提升了电池反应动力学，使电池实现90.29%的超高能量效率和95.75%的容量利用率（而未加入bislawsone的体系容量利用率仅为0.44%）。同时，该电池在2200次循环后仍保持初始能量效率的92.43%，达到目前已报道水系多硫化物液流电池体系中的最高水平之一。

通过原位电化学阻抗谱（EIS）表征，研究团队直接观察到反应动力学的显著提升：电荷转移电阻从172.3 Ω降低至<24 Ω。进一步结合实验与理论计算，从分子层面揭示了bislawsone促进多硫化物还原的机制：bislawsone 通过独特的“锚定-拖拽（anchor–drag）”效应促进S–S键断裂，从而显著降低反应能垒。此外，研究还发现多硫化物能够稳定bislawsone的还原态，解决其空气稳定性差的问题。电池在充满电后静置一周的自放电率仅为12.19%；而在没有多硫化物存在时，bislawsone电池仅静置2小时即发生失效。论文第一作者为陈倩如；论文通讯作者为郝俊南，乔世璋。通讯单位为阿德莱德大学。

研究背景

水系液流电池因具有安全性高、寿命长、功率与容量可独立设计等优势，被认为是极具潜力的大规模储能技术。目前商业化程度最高的全钒液流电池受限于钒资源价格高和供应波动的问题，因此亟需开发资源更丰富、成本更低的活性物质体系。

硫基化学体系是其中的重要候选。多硫化物S₄^2-/S₂^2-的电位约为−0.4 V，具有作为负极活性物质的良好潜力。然而，S₄^2-的还原动力学非常缓慢，导致电池在20 mA cm^-2电流密度下仍产生大于0.5 V的极化。目前报道的催化剂主要为固体催化剂（如钴基或金属硫化物材料），但其催化活性受到催化表面积和多硫化物扩散限制，且多数体系在不更换电解液的情况下循环难以超过400次。近期报道的核黄素（riboflavin）均相催化体系虽然能够提升动力学，但仍存在副反应和稳定性问题。

Bislawsone具有与多硫化物接近的氧化还原电位，能够在碱性电解液中稳定工作，并表现出极快的反应动力学。然而，其还原态空气稳定性较差，因此以其作为活性物质的液流电池通常需要保护气氛运行。

基于此，作者提出将bislawsone作为氧化还原介体引入多硫化物液流电池体系。该策略不仅能够显著改善多硫化物的反应动力学，还利用多硫化物稳定bislawsone，使电池能够在空气条件下稳定工作。

本文要点一：bislawsone和多硫化物的反应机制

研究团队首先利用拉曼光谱证明还原态bislawsone能够与S₄^2-发生反应。通过循环伏安测试，进一步确认bislawsone在电极与多硫化物之间发挥氧化还原介体的作用，实现电子传递。团队在不同温度、浓度和扫描速率条件下进行循环伏安测试，并结合阿伦尼乌斯方程分析，证明bislawsone能显著降低多硫化物还原反应的活化能。同时，采用量子化学计算进一步揭示了其反应机理：还原态bislawsone通过“锚定–拖拽（anchor–drag）”机制与多硫化物相互作用，从而促进S–S键断裂并降低反应能垒。此外，研究还发现S₄^2-氧化bislawsone的速率快于空气氧化过程，从而有效抑制空气导致的降解反应，使电池能够在空气环境下稳定运行。

图1 Bislawsone催化多硫化物的可行性验证。

本文要点二：原位EIS与拉曼揭示动力学变化

在静态电池测试中，含bislawsone的体系在不同电流密度下始终保持高容量利用率和高能量效率；而未加入bislawsone的体系随着电流密度增加，其容量利用率和能量效率迅速下降。原位EIS测试表明，bislawsone将多硫化物还原过程的电荷转移阻抗从172.3 Ω降低至<24 Ω。同时，原位拉曼光谱进一步证实bislawsone在体系中确实发挥氧化还原介体作用，并为“锚定-拖拽”反应机理提供了实验支持。

图2 静态电池倍率性能和原位EIS测试。

图3 原位拉曼追踪和静态电池循环性能测试。

本文要点三：液流电池性能验证

加入bislawsone后，液流电池极化在10 mA cm^-2时降低6倍，电池能量效率达到90.29%。在60 mA cm^-2条件下，电池容量利用率从0.44%提升至95.75%，显著优于目前绝大多数采用固体催化剂的硫基液流电池体系。同时，电池能够稳定循环2200次，能量效率保持率高达92.43%，达到当前该体系最优水平之一。

图4 液流电池性能。

本文要点四：多硫化物稳定bislawsone

由于还原态bislawsone能够快速将电子传递给S₄^2-，其在体系中不会被空气氧化或引发降解反应。在空气条件下进行低倍率测试时，纯bislawsone电池很快发生容量衰减；而含多硫化物的体系则始终保持稳定性能。自放电测试表明，纯bislawsone电池2小时内即失效，而含多硫化物体系静置一周仍保持87.81%容量，表明该体系具有优异的储能稳定性。

图5 空气稳定性测试。

作者简介

乔世璋

教授

乔世璋教授，澳大利亚科学院及工程院双院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学（Adelaide University）化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，澳洲ARC电池回收培训中心（ARC Training Centre for Battery Recycling）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯作者，在国际顶级期刊发表学术论文超过600篇，包括Nature (1)， Nat. Energy (4)， Nat. Nanotech. (2)，Nat. Chem. (2)， Nat. Mater. (1)，Nat. Catal. (2)，Nat. Synth. (2)，Nat. Commun. (18)，Sci. Adv. (9)，Angew. Chem. Int. Ed. (58)，J. Am. Chem. Soc. (35)，Adv. Mater. (60)，引用超160,000次，h指数为206（Google Scholar）。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow）、2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）等。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学、环境和生态三个领域的高被引科学家。

更多个人与课题组信息，请访问http://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao; https://scholar.google.com.au/citations?user=B0bo5SUAAAAJ&hl=en

郝俊南

高级讲师

郝俊南博士，于2020年在澳大利亚卧龙岗大学（University of Wollongong）获得博士学位。目前，在澳大利亚阿德莱德大学担任高级讲师。他已在国际知名期刊上发表了90余篇学术论文，引用超15,500次，其中包括31篇ESI高被引论文。他的研究兴趣主要集中在能源储存与转换领域，包括水系锌离子电池、高电压锂离子电池、双离子电池以及柔性储能设备。他已获得多个荣誉与资助，包括科睿唯安高被引科学家、斯坦福大学全球前2%科学家、JMCA、ChemCommun新锐科学家、澳大利亚电池协会“能源复兴创新者”奖、ARC DECRA项目资助以及澳大利亚同步辐射中心（AINSE）“优秀青年奖”等。