氧化还原液流电池（RFBs）是现代电网中较有前景的固定式储能装置，称为间歇式绿色能源发电机。由于RFBs的电解液和电极在空间上是分离的，因而具有安全性高、便于维修、能量密度和功率密度可调节等优势。除了液-液流动电池以外，以多价金属为负极（比如Zn、Mg、Al等），耦合正极氧化还原活性物质而组成的混合液态电流也吸引了较多的关注。然而， RFBs体系的广泛应用仍面临着挑战，存在着能量密度低、成本高等问题。根据RFBs能量密度计算公式可知：活性物质溶解度越高、氧化还原电子转移数越多，则可以贡献出更高的能量密度。

近日，清华大学的王海辉教授和德国马克斯普朗克学会-胶体与界面研究所的Markus Antonietti教授、陈高锋博士合作，以自然界中含量丰富且水系中溶解度高的硝酸盐和氨为研究对象，通过设计基于硝酸盐与氨的电催化转化的正极反应，构建了新型锌基液流电池。该正极体系涉及电化学氮循环转化过程，每分子氮转化反应可转移八个电子。组装的Zn-Zn²⁺//NO₃^--NH₃电池（简称：锌-氮电池）的理论电压和能量密度分别能够达到1.08 V和871 Wh L^-1。

作者通过选用金属锌负极证明了涉及八电子转移的氮双向转化反应作正极的可行性。通过CV测试，设计并合成的NiRu双功能催化剂表现出一对明显的氧化还原峰，表明NiRu双功能催化剂具有催化硝酸盐还原和氨氧化的双向反应活性。研究工作表明，锌-氮电池在实际的测试中具有0.72 V的放电电压，可实现577 Wh L^-1的能量密度（2 mA cm^-2），高于大多数液流电池的报道值。

反应产物的定量测试表明，电池充放电性能主要归因于硝酸盐还原和氨氧化的电化学过程。在放电的过程中（硝酸盐还原到氨），电池产氨的平均容量贡献率达到92.7%；在充电的过程中（氨氧化到硝酸盐），电池产NO_x^-（x=2，3）的平均容量贡献率达到93.3%。此外，锌-氮电池也具有较好的倍率性能、功率密度（10.0 mW cm^-2）和长时间充放电循环稳定性（已被证明可进行12.9天的充放电循环）。

NiRu花球催化剂的催化机理和稳定性也被详细的研究。在三电极体系测试中，在-0.6 V到+0.2 V（versus RHE）的还原电位区间内，NiRu花球催化剂表现出超过93.6%的合成氨法拉第效率；在+1.3 V的低氧化电位下，NiRu花球催化剂获得了91.02%的合成NO_x^-法拉第效率。通过对比单一组分的Ni和Ru催化剂，NiRu花球催化剂的优异硝酸盐还原性能主要来源于外层的Ru花瓣结构，而其较好的氨氧化性能主要来源于受外层Ru花瓣保护的Ni花蕊结构。此外，通过ICP、XPS、XRD和DFT等测试结果表明，Ru花瓣和Ni花蕊在结合界面的强相互作用，使NiRu成为一个强健的整体，进而使催化剂表现出较强的结构和性能稳定性。

在该工作中，作者证明了基于硝酸盐还原和氨氧化的八电子氮转化反应可为安全、经济、可规模化的高能量密度储能设备提供具有前景的正极氧化还原化学。在未来的研究中，可通过优化反应装置、开发更高效的电催化剂、开发碱性隔膜和耦合更合适的负极氧化还原反应进一步提升基于八电子氮转化反应的液流电池的性能。