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近年來，太陽能、風能等可再生能源技術(shù)快速發(fā)展，然而這些發(fā)電方式受自然因素影響較大，具有明顯的隨機性和波動性，目前棄風、棄光等現(xiàn)象凸顯。儲能技術(shù)是將隨機波動能源變?yōu)橛押媚茉吹年P(guān)鍵，其技術(shù)變革對推動能源革命具有重要意義。水系有機液流電池以水溶性有機氧化還原活性分子作為電解質(zhì)，其安全性高、成本低廉、性能易于調(diào)控且對環(huán)境友好，是一種極具發(fā)展前景的新型大規(guī)模儲能技術(shù)。在眾多液流電池有機活性物質(zhì)中，氮氧自由基類活性材料原料豐富、價廉易得且具有相對較高的氧化還原電位（＞0.8 V vs. RHE），是一種綜合性能優(yōu)異的正極材料。然而，在充放電過程中氮氧自由基類分子易于發(fā)生副反應(yīng)，進而導致電池容量快速衰減，使用壽命縮短。此外，活性物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和電化學性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)尚不清晰，在分子結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也缺乏理論指導。


針對上述問題，西安交通大學材料學院宋江選教授團隊從分子結(jié)構(gòu)調(diào)控入手，設(shè)計合成了五元環(huán)吡咯類氮氧自由基衍生物，結(jié)合密度泛函理論模擬及實驗分析，首次揭示了該類分子氧化還原電位與N-O自由基端電荷布局之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。相比于傳統(tǒng)的六元環(huán)氮氧自由基活性物質(zhì)，五元環(huán)雙鍵結(jié)構(gòu)吡咯啉氮氧自由基（CPL）的氧化還原電位高達0.96 V (vs. RHE)，所組裝水系有機液流全電池CPL/BTMAP-Vi展現(xiàn)出1.31 V的開路電壓，在500次充放電循環(huán)內(nèi)容量保持率高達99.96％/圈。這一研究工作極大拓展了氮氧自由基衍生物的選擇范圍，為此類材料在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果以“Five-Membered Ring Nitroxide Radical: A New Class of High-Potential, Stable Catholyte for Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries”為題發(fā)表于國際知名期刊Advanced Functional Materials。課題組博士研究生胡博和助理教授范豪為共同第一作者，宋江選教授為唯一通訊作者，西安交通大學為論文唯一通訊作者單位。這也是該團隊在繼前期六元環(huán)哌啶類氮氧自由基（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 39, 43568）和吩噁嗪類堿性蘭（Chem. Commun., 2020, 56, 13824）水性液流電池電極材料研究工作之后的又一重要進展。

該研究工作得到了國家自然科學基金、西安交大青年拔尖人才計劃、博士后創(chuàng)新人才支持計劃和國家高層次人才計劃等項目的資助。論文中化合物材料的表征及測試得到了西安交通大學分析測試共享中心、金屬材料強度國家重點實驗室和動力工程多相流國家重點實驗室平臺的大力支持。 

原標題：西安交大科研人員在大規(guī)模儲能水系有機液流電池領(lǐng)域取得重要進展