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Bio-inspired relay catalysis for aqueous redox flow batteries

催化作用 过电位 氧化还原 继电器 水溶液 流量(数学) 储能 材料科学 化学工程 纳米技术 电子转移 多硫化物 同种类的 化学 流动电池 计算机科学 体积流量 电子供体 电池(电) 化学能 协同催化 能量(信号处理)
作者
Jiafeng Lei,Yaqin Zhang,Weixing Wu,Yue Wang,Jun Fan,Yi-Chun Lu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-73670-4
摘要

Abstract Aqueous redox flow batteries are promising for long-duration energy storage. However, many of them (e.g. sulfur-based and organic-based flow batteries) suffer from sluggish kinetics with low energy efficiency and insufficient capacity utilization. Here, we propose relay catalysis as a universal strategy to achieve high reaction rates while minimizing overpotential, enabling high capacity and energy efficiency. Inspired by sequential electron transfer in cellular respiration, relay catalysis employs a low-overpotential catalyst (e.g., isoalloxazine) to initiate the reaction, seamlessly transferring control to a high-activity catalyst (e.g., quinone) to sustain charge propagation, breaking the trade-off between overpotential and catalytic rate. Using this strategy, we demonstrate polysulfide-ferrocyanide flow batteries with near full polysulfide utilization (S 4 2– /S 2 2– , 64 Ah L –1 negolyte ) and high stability over 3 months (> 500 cycles at 20 mA cm –2 , decay rate 0.00071% per cycle, 0.003% per day). We further extend this strategy to organosulfide- and azo-based batteries with various relay-catalyst couples. By mimicking biological electron relays, this approach not only redefines homogeneous catalysis for energy storage but also establishes a transformative platform for designing flow batteries with enhanced performance and scalability.
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