研究人員開發(fā)基于鹵素多電子轉移的高能量密度水系電池

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

該方法的關鍵在于并行運行多個 MD 模擬，從而同時探索不同的可能構象。使用精心設計的選擇標準，可以在“時間快照”中自動檢測有希望的構象并進行進一步研究。這種策略極大地加速了關鍵分子相互作用和動態(tài)過程的發(fā)現(xiàn)，幫助科學家了解蛋白質(zhì)功能運動。

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特征，選擇要使用的MD軟件，實施快照排名程序，并為下一個模擬周期準備初始結構。這個過程可能非常復雜且容易出錯，為有興趣使用 PaCS-MD 的科學家設置了相當大的進入障礙。

幸運的是，日本東京工業(yè)大學生命科學技術學院的一組研究人員最近著手解決這個問題。在由 Akio Kitao 教授領導的《物理化學雜志 B》上發(fā)表的最新研究中，該團隊開發(fā)了一個名為 PaCS-Toolkit 的軟件包，以使 PaCS-MD 更易于使用。

PaCS-Toolkit 的一個顯著優(yōu)點是整個模擬過程是通過單個配置文件設置的。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準。

PaCS-Toolkit 采用此配置文件以及標準 MD 輸入文件，并根據(jù)指定的 MD 軟件運行 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 PaCS-Toolkit 并擴展其功能。

“我們的工具包保持了靈活性，因此可以通過在 Python 中引入負責的類來添加新功能、庫和 MD 軟件。可以使用這種語言進行編程的用戶應該能夠修改 PaCS-Toolkit 的代碼并根據(jù)需要實現(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存的電量相對較低。

在《自然能源》雜志上發(fā)表的一項研究中，中國科學院大連化學物理研究所李先鋒教授課題組與大連化學物理研究所付強教授團隊合作，開發(fā)出基于溴和碘的多電子轉移陰極，實現(xiàn)了超過840 Ah/L的比容量，在全電池測試中基于陰極電解液實現(xiàn)了高達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)了一種多電子轉移反應，將 I-轉移到碘元素 (I2)，然后轉移到碘酸鹽 (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)的形式傳導至負極。放電過程中，H+從正極傳導，IO3-被還原為I-。

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

研究人員證實，電解液中添加的Br-在充電過程中會生成極性溴化碘(IBr)，從而促進與H2O反應形成IO3-。放電過程中，IO3-可以將Br-氧化為Br2 ，并參與電化學反應，實現(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)化了反應過程，有效提高了電化學反應的動力學和可逆性。

傅教授課題組通過原位光學顯微鏡、拉曼光譜等證明了多電子轉移過程。

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