在提高清洁能源利用率的同时，人类依然需要与传统化石能源消耗的“副作用”作抗争：温室效应给人类生存与发展带来持续而严峻的挑战。二氧化碳的高效捕获，成为减少温室气体对气候的影响、打造碳中和闭环的关键议题。目前较为常见的技术有胺洗涤法、强碱性溶液吸收、固体胺与氨基酸的直接空气捕集法等，但这些方法均存在不完美之处，包括毒性、腐蚀性、材料降解难、耗能高等等。

自成立以来，西湖大学理学院王盼实验室在水系液流电池储能领域取得了一系列研究成果（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5778-5785；Joule, 2021, 5, 2437-2449；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5289-5298）。在前期研究工作中，他们发现吩嗪类有机小分子在充放电过程中，由于其独特的质子耦合氧化还原特性，会在水溶液中引起“pH摇摆”的现象。于是想到如何利用这一现象、借助液流电池系统来充当这位“碳捕手”。

那么，什么样结构的分子能完成这个使命呢？

新分子：1,8-ESP，表现优异的“家族”新成员

王盼所带领的有机功能材料实验室聚焦于以有机合成化学为基础的功能分子的设计，以材料功能为导向，赋予有机分子独特的结构特性进行精准合成。换句话说，找到“有用、适用、好用”的小分子，正是他们所擅长的。

2021年，王盼实验室与合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物1,6-AFP，赋予水系有机液流电池体系优异的稳定性（往期报道：利用氨基酸实现高储能丨西湖大学王盼实验室最新成果登上《德国应用化学》封面）；这也是这个实验室在西湖的第一项成果。之后，他们根据不同功能及应用场景，开发了一系列吩嗪“家族”的新成员。新成员1,8-ESP与此前报道的1,6-AFP共享同样的“骨架”（母核），但嫁接着不一样的“肢体”（官能团）。官能团，指的是影响有机化合物的物理化学性质的原子或原子团；上一代小分子所使用的是氨基酸，而这一代，团队换上了磺酸根。

于是，“老骨架”抽出新芽，迸发了新的生机：它既能实现水系液流电池的储能功用，也能捕集与释放二氧化碳。

二氧化碳捕集-释放和能量储存-输送系统

上图为1,8-ESP的二氧化碳捕集-释放和能量储存-输送系统示意图。基于有机分子氧化还原反应机理，在该水系液流电池的充放电过程中，体系会发生酸碱变化（即pH摇摆）：充电时，1,8-ESP（即活性分子）得到电子，被还原同时从水中夺取一个质子，使得溶液变为碱性，氢氧根（OH-）与二氧化碳发生反应生成碳酸根（CO32-）及碳酸氢根（HCO3-）。放电过程与之相反。事实上，只要有基本的化学概念，就能理解这个道理：碱性液体能够吸收二氧化碳。电池充电时，含有1,8-ESP的中性溶液会发生pH变化转为碱性，因而就能同步吸收充入的二氧化碳；放电时，液体由碱性转变回中性，由此会自然释放先前捕集的二氧化碳。