本刊付甜甜

來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)的研究人員最近用紅紫素為原材料制備出了環(huán)保型鋰電池。萊斯大學(xué)的阿拉瓦里拉雷迪博士(Arava Leela Mohana Reddy)說(shuō)，鋰電池每消耗或者產(chǎn)生一度電，就會(huì)產(chǎn)生72 kg(159磅)的二氧化碳。而茜草或其他生物質(zhì)則有助于從大氣中消除二氧化碳。如果能采用這些生物質(zhì)制備出電池，那么未來(lái)的電池便會(huì)更加無(wú)毒環(huán)保，且易處理。雷迪博士的實(shí)驗(yàn)室、紐約市立學(xué)院和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)現(xiàn)，紅紫素和其他顏色分子生物具有巨大的潛力，可作為電池材料一個(gè)更環(huán)保的替代品。

紅紫素是從茜草根部提取出的一種染料，可用來(lái)染布?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)紅紫素還可用來(lái)創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的、無(wú)毒的可充電鋰離子電池。這就意味著以后鋰電池的材料可以簡(jiǎn)單地生長(zhǎng)，而不是開(kāi)采。

“幸運(yùn)的是天然成分的紅紫素和其他一些類(lèi)似的植物具備制作電池電極的特性。例如，紅紫素的分子六元(芳族的)環(huán)富含并善于傳遞電子的羰基和羥基，這些芳香系統(tǒng)的分子很容易與鋰離子結(jié)合?！奔~約市立大學(xué)化學(xué)系教授喬治·約翰解釋說(shuō)。

通過(guò)研究，雷迪博士發(fā)現(xiàn)，紅紫素和其他一些生物染料能夠被制成更加節(jié)能環(huán)保的電極。這是由于染料中所含的羰基和羥基分子群能夠?qū)щ姟?/p>

紅紫素電極的制作方法

制作紅紫素電極的方法很簡(jiǎn)單，可在常溫下進(jìn)行。僅需要將紅紫素溶解于甲醇里，再加入少量鋰鹽。當(dāng)溶液從濃黃色變成粉色，就說(shuō)明鋰離子已經(jīng)吸附在紅紫素上了，這時(shí)只要濾掉溶液，電極就完成了。具體制作方法為：將1.2 g，10mmol的醋酸鋰溶解在10 m L甲醇中，將2.56 g，10 mmol的紅紫素溶解在100 m L甲醇中，然后將醋酸鋰溶液滴加到紅紫素溶液中。在加入LiOAc溶液的過(guò)程中，紅黃色的紅紫素溶液變成了粉紅色，把所得粉紅色溶液劇烈攪拌10分鐘。將反應(yīng)混合物中的溶劑除去，再在真空下干燥固體產(chǎn)物，得到1:1比例的化學(xué)鋰化紅紫素（CLP）。然后采用類(lèi)似的步驟，通過(guò)兩次增加LiOAc的摩爾當(dāng)量可以制備出1∶2比例的CLP。

利用植物材料制作鋰離子電池的前景

目前，工廠制造鋰電陰極的材料還是鋰鈷氧化物（LiCoO2）。但是開(kāi)采鈷礦并將其與鋰元素融合則需要超高的溫度。電池技術(shù)中所用的鈷礦大概占世界各地鈷礦產(chǎn)量的30%。鈷礦非常昂貴，天然的供應(yīng)是有限的。從礦石中提取原料，轉(zhuǎn)化成電化學(xué)活性物質(zhì)，需要使用大量的能源，但是能源日益稀少。另外，鋰離子電池的回收已成為一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，因?yàn)樗婕暗皆诟邷叵箩尫糯罅康亩趸?。目前，鋰離子電池技術(shù)的整個(gè)制作過(guò)程不但昂貴而且浪費(fèi)能源，這樣長(zhǎng)期下去是不可行的。因此，鋰離子電池行業(yè)需要環(huán)境友好型的綠色有機(jī)電極來(lái)傳承下去。

在發(fā)展清潔能源時(shí)最根本的挑戰(zhàn)是確定用于制作電池成品的原材料有可持續(xù)的能源供應(yīng)并且能夠保護(hù)環(huán)境。能源儲(chǔ)存是能量轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)傳遞鏈的一個(gè)重要組成部分。在各種電化學(xué)儲(chǔ)能選項(xiàng)中，鋰離子電池因?yàn)樗鼈兛赡娴碾娀瘜W(xué)和優(yōu)越的質(zhì)量和體積能量存儲(chǔ)能力已引起了各界極大的關(guān)注。

利用植物材料制作電池是一個(gè)新的方法。我們已經(jīng)聽(tīng)說(shuō)過(guò)一種植物病毒，這種電池能夠使鋰離子電池的壽命提高10倍甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，還有海藻也可以給電池提升綠色動(dòng)力。這預(yù)示著未來(lái)的任何電池技術(shù)都將依賴(lài)于材料的發(fā)展，而不是開(kāi)采，這是一片對(duì)于電池世界而言有著良好、廣闊發(fā)展前景的領(lǐng)域。

紅紫素背景

紅紫素是一種典型的媒介染料。早在3 500年前，紅紫素就在中亞、埃及、歐洲和中國(guó)被用作紅色染料。第一次煮茜草的根會(huì)出現(xiàn)鮮艷的橙色、紅色和粉紅色。1804年英國(guó)的喬治·菲爾德發(fā)現(xiàn)用明礬水溶液處理紅紫素后，紅紫素會(huì)發(fā)生色淀，變?yōu)椴蝗艿墓腆w染料，從而延長(zhǎng)了它作為染料的使用壽命。用其他金屬鹽代替明礬，可以得到其他顏色的染料。1826年，法國(guó)的皮埃爾·讓確認(rèn)了茜草根含有兩種染料，即紅紫素（又名茜紅素和羥基紅紫素）。這種曾在過(guò)去被作為天然植物染料用于制作熱艷紅的紡織品的材料現(xiàn)今通過(guò)最新技術(shù)，可用來(lái)制備新型的“綠色”環(huán)保型鋰離子電池。

紅紫素的理化性質(zhì)：紅紫素為棕黃色粉末，熔點(diǎn)為290℃，沸點(diǎn)為430℃。微溶于水，溶于丙酮、甲醇、乙醇(沸騰下)、堿和溶纖素，微溶于苯、四氯化碳、甲苯、二甲苯、吡啶、二硫化碳和冰乙酸，不溶于乙醇(冷)、斯淘特溶劑，溶于堿液呈藍(lán)紫色，遇濃硫酸呈黃光紅色，稀釋后產(chǎn)生紅光黃色沉淀，遇氫氧化鈉為紫色。