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主要作者及研究机构

该研究由Tan P. Nguyen、Alexandra D. Easley、Nari Kang、Sarosh Khan、Soon-Mi Lim、Yohannes H. Rezenom、Shaoyang Wang、David K. Tran、Jingwei Fan、Rachel A. Letteri、Xun He、Lu Su、Cheng-Han Yu、Jodie L. Lutkenhaus和Karen L. Wooley共同完成。研究团队主要来自Texas A&M University的化学系、材料科学与工程系以及化学工程系。研究论文于2021年5月6日发表在《Nature》期刊上，题为“Polypeptide Organic Radical Batteries”。

学术背景

该研究的主要科学领域是电池技术，特别是可持续和环保的电池材料开发。随着锂离子电池的广泛应用，其带来的环境和伦理问题日益凸显，例如锂、钴等矿产资源的开采对环境的破坏，以及电池的安全使用和回收问题。目前，只有一小部分锂离子电池被回收，这进一步加剧了全球战略资源的供应压力。为了解决这些问题，研究人员提出了一种基于有机氧化还原活性材料的可充电电池，这种电池由可持续材料制成，并且可以在寿命结束时按需降解和重建。研究的核心目标是开发一种无金属、基于多肽的有机自由基电池，这种电池在运行期间稳定，但在寿命结束时能够降解为环境友好的产物或可回收的构建块。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 多肽的合成与改性
   研究人员从L-谷氨酸（L-glutamic acid）出发，通过两条不同的五步合成路径分别制备了阳极和阴极多肽。阳极多肽含有紫精（viologen）基团，阴极多肽含有氮氧自由基（nitroxide radical）基团。具体步骤包括酯化反应、环化反应、聚合反应以及后续的氧化还原活性基团的引入。研究人员使用环开聚合反应（ring-opening polymerization）将γ-(6-氯己基)-L-谷氨酸N-羧基酐（CHLG NCA）和γ-炔丙基-L-谷氨酸N-羧基酐（PLG NCA）分别聚合为多肽，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）光谱监测反应进程。

2. 电化学表征
   研究人员首先将多肽组装成锂金属半电池，以评估其基本的储能特性。随后，他们构建了无金属的全多肽电池，并通过循环伏安法（cyclic voltammetry）和恒电流充放电测试（galvanostatic charge-discharge）评估其电化学性能。研究还量化了完整的多肽及其降解产物对三种不同细胞类型（MC3T3、NIH/3T3和CVE细胞）的毒性影响。

3. 多肽的按需降解
   研究人员在酸性条件下对多肽进行水解降解，并通过高分辨率电喷雾质谱（HRMS）和液相色谱（LC）分析降解产物。结果表明，紫精多肽和氮氧自由基多肽在酸性条件下能够完全降解为氨基酸和其他构建块。

主要结果

1. 多肽的合成与表征
   研究人员成功合成了含有紫精和氮氧自由基基团的多肽，并通过FTIR和NMR光谱确认了其结构和纯度。紫精多肽和氮氧自由基多肽均表现出α-螺旋构象，这是多肽的典型二级结构。

2. 电化学性能
   紫精多肽和氮氧自由基多肽在电化学测试中表现出良好的氧化还原活性。紫精多肽在2.23 V和2.69 V处显示出两个准可逆的氧化还原峰，而氮氧自由基多肽在3.69 V处显示出准可逆的氧化还原峰。全多肽电池的最大充电容量为37.8 mAh/g，接近理论容量的85%。

3. 多肽的降解
   在酸性条件下，紫精多肽和氮氧自由基多肽能够完全降解为L-谷氨酸和其他小分子产物。降解产物对环境友好，且部分产物可以重新用于多肽的合成。

4. 细胞毒性测试
   细胞毒性测试表明，紫精多肽对MC3T3和NIH/3T3细胞具有较高的毒性，但对CVE细胞的毒性较低。氮氧自由基多肽对所有测试细胞均表现出较低的毒性。降解产物的毒性显著低于完整的多肽。

结论

该研究成功开发了一种无金属、基于多肽的有机自由基电池，这种电池在运行期间稳定，但在寿命结束时能够按需降解为环境友好的产物或可回收的构建块。这种电池为解决锂离子电池的环境和伦理问题提供了一种潜在的替代方案，并为未来循环经济中的绿色和可持续电池设计迈出了重要一步。

研究亮点

1. 创新性
   该研究首次将可降解多肽与氧化还原活性基团结合，开发出了一种全新的电池材料。这种材料不仅具有优异的电化学性能，还能够在寿命结束时按需降解，减少了环境污染。

2. 可持续性
   该电池由可持续材料制成，且降解产物可以重新用于电池的构建，符合循环经济的原则。

3. 跨学科研究
   该研究结合了化学、材料科学和生物医学等多个学科的知识，展示了跨学科研究在解决复杂问题中的重要性。

其他有价值的内容

研究还探讨了多肽降解产物的分离和重建问题，为未来实现完全可回收的电池提供了思路。此外，研究人员还开发了用于多肽合成和降解分析的新方法，这些方法可以应用于其他领域的研究。

这篇研究为电池技术的可持续发展提供了重要的科学依据和技术支持，具有广泛的应用前景。