研究人员开发基于卤素多电子转移的高能量密度水系电池

分子动力学 (MD) 模拟已成为不断发展的分子生物学和药物开发领域的强大工具。虽然存在许多 MD 模拟技术，但在研究蛋白质的折叠(或“构象”)或蛋白质与配体之间的相互作用时，并行级联选择 MD (PaCS-MD) 是一种特别有用的技术。

该方法的关键在于并行运行多个 MD 模拟，从而同时探索不同的可能构象。使用精心设计的选择标准，可以在“时间快照”中自动检测有希望的构象并进行进一步研究。这种策略极大地加速了关键分子相互作用和动态过程的发现，帮助科学家了解蛋白质功能运动。

然而，PaCS-MD 的障碍之一是用户必须编写自定义脚本来执行所需的 MD 模拟。在这些脚本中，他们必须指定初始条件和目标特征，选择要使用的MD软件，实施快照排名程序，并为下一个模拟周期准备初始结构。这个过程可能非常复杂且容易出错，为有兴趣使用 PaCS-MD 的科学家设置了相当大的进入障碍。

幸运的是，日本东京工业大学生命科学技术学院的一组研究人员最近着手解决这个问题。在由 Akio Kitao 教授领导的《物理化学杂志 B》上发表的最新研究中，该团队开发了一个名为 PaCS-Toolkit 的软件包，以使 PaCS-MD 更易于使用。

PaCS-Toolkit 的一个显着优点是整个模拟过程是通过单个配置文件设置的。在此文件中，用户指定模拟的重要参数，包括 PaCS-MD 的类型、并行运行的 MD 模拟的数量以及要跟踪的蛋白质残基或原子，作为并行分支的选择标准。

PaCS-Toolkit 采用此配置文件以及标准 MD 输入文件，并根据指定的 MD 软件运行 PaCS-MD 模拟。值得注意的是，由于该软件包是用 Python(一种流行的编程语言)编写的开放软件，用户可以帮助改进 PaCS-Toolkit 并扩展其功能。

“我们的工具包保持了灵活性，因此可以通过在 Python 中引入负责的类来添加新功能、库和 MD 软件。可以使用这种语言进行编程的用户应该能够修改 PaCS-Toolkit 的代码并根据需要实现新方法， “北尾教授说。

传统的非水锂离子电池具有高能量密度，但由于使用易燃有机电解质，其安全性受到影响。

水系电池使用水作为电解质的溶剂，显着提高了电池的安全性。然而，由于电解质的溶解度有限和电池电压低，水系电池通常具有较低的能量密度。这意味着水系电池单位体积储存的电量相对较低。

在《自然能源》杂志上发表的一项研究中，中国科学院大连化学物理研究所李先锋教授课题组与大连化学物理研究所付强教授团队合作，开发出基于溴和碘的多电子转移阴极，实现了超过840 Ah/L的比容量，在全电池测试中基于阴极电解液实现了高达1,200 Wh/L的能量密度。

为了提高水系电池的能量密度，研究人员使用碘离子(I -)和溴离子(Br-)的混合卤素溶液作为电解质。他们开发了一种多电子转移反应，将 I-转移到碘元素 (I2)，然后转移到碘酸盐 (IO3-)。

充电过程中，正极上的I-被氧化为IO3- ，生成的H+以支持电解质的形式传导至负极。放电过程中，H+从正极传导，IO3-被还原为I-。

所开发的多电子转移阴极的比容量为840 Ah/L。研究人员将阴极与金属镉结合形成全电池，基于所开发的阴极电解液实现了高达 1,200 Wh/L 的能量密度。

研究人员证实，电解液中添加的Br-在充电过程中会生成极性溴化碘(IBr)，从而促进与H2O反应形成IO3-。放电过程中，IO3-可以将Br-氧化为Br2 ，并参与电化学反应，实现IO3-的可逆快速放电。

因此，充放电过程中形成的溴化物中间体优化了反应过程，有效提高了电化学反应的动力学和可逆性。

傅教授课题组通过原位光学显微镜、拉曼光谱等证明了多电子转移过程。

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