近年來，太陽能、風能等可再生能源技術快速發展，然而這些發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、棄光等現象凸顯。儲能技術是將隨機波動能源變為友好能源的關鍵，其技術變革對推動能源革命具有重要意義。水係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，其安全性高、成本低廉、性能易於調控且對環境友好，是一種極具發展前景的新型大規模儲能技術。在眾多液流電池有機活性物質中，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），是一種綜合性能優異的正極材料。然而，在充放電過程中氮氧自由基類分子易於發生副反應，進而導致電池容量快速衰減，使用壽命縮短。此外，活性物質的分子結構和電化學性能之間的內在關聯尚不清晰，在分子結構設計方麵也缺乏理論指導。

　　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構調控入手，設計合成了五元環吡咯類氮氧自由基衍生物，結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在關聯。相比於傳統的六元環氮氧自由基活性物質，五元環雙鍵結構吡咯啉氮氧自由基（CPL）的氧化還原電位高達0.96 V (vs. RHE)，所組裝水係有機液流全電池CPL/BTMAP-Vi展現出1.31 V的開路電壓，在500次充放電循環內容量保持率高達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範圍，為此類材料在大規模儲能領域的應用奠定了理論基礎。研究結果以“Five-Membered Ring Nitroxide Radical: A New Class of High-Potential, Stable Catholyte for Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries”為題發表於國際知名期刊Advanced Functional Materials。課題組博士研究生胡博和助理教授範豪為共同第一作者，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呱啶類氮氧自由基（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後的又一重要進展。