Los investigadores mejoran la solubilidad de las moléculas redox para mejorar los sistemas de almacenamiento de energía

1 de junio de 2023

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por GIST (Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju)

Las tecnologías de baterías dominantes que utilizan fuentes de energía inflamables, tóxicas, insostenibles y costosas son un factor importante que contribuye al cambio climático. Por lo tanto, cambiar de combustibles fósiles a fuentes de energía más limpias y respetuosas con el medio ambiente es crucial para reducir los impactos del cambio climático. Esta transición se puede respaldar mejorando la eficiencia de los sistemas de almacenamiento de energía para operaciones más seguras y estables, sustentabilidad, alta densidad de energía/potencia.

La investigación en este frente se ha centrado en enfoques de ingeniería molecular para el desarrollo de condensadores electroquímicos redox mejorados (EC redox) de base acuosa. Los EC redox son un tipo de condensadores eléctricos híbridos avanzados de doble capa que utilizan moléculas activas redox en la interfaz electrodo-electrolito para aumentar la densidad de energía.

Debido al uso de electrolitos activos redox orgánicos, se sabe que proporcionan una ventaja económica, el uso de elementos abundantes en la tierra y la capacidad de ajuste estructural. Sin embargo, un desafío importante en su desarrollo es la falta de suficiente solubilidad de estas especies en sistemas acuosos, lo que resulta en una baja densidad de energía. Además, los intentos previos de mejorar su solubilidad han demostrado ser costosos y lentos.

Ahora, investigadores de Corea han utilizado electrolitos de soporte hidrotrópico (HSE) como un enfoque para mejorar la solubilidad de las especies orgánicas activas redox. El estudio, dirigido por el profesor asistente Seung Joon Yoo y el profesor Sukwon Hong del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju en Corea, se publicó en ACS Energy Letters.

Los investigadores utilizaron el proceso de hidrotropía, en el que se utilizan una clase de moléculas anfifílicas. En este fenómeno de solubilización único, el volumen del componente hidrófobo es relativamente pequeño en comparación con el del tensioactivo, lo que permite un aumento múltiple de la solubilidad del soluto escasamente soluble. Los investigadores probaron una variedad de quinonas como especie modelo debido a su utilidad como aditivo activo redox y una estabilidad electroquímica aceptable.

Los investigadores encontraron que el uso de HSE (ácido p-tolueno sulfónico (p-TsOH), ácido 2-naftalenosulfónico (2-NpOH) y ácido antraquinona-2-sulfónico (AQS)) mejoró la solubilidad de la hidroquinona (HQ) sin ninguna funcionalización química. Es importante destacar que demostraron que un aumento en la solubilidad es proporcional a la concentración de los HSE respectivos.

Además, diseñaron una sal biredox, bromuro de 2-[N,N,N-tris(2-hidroxietil)] antracenometanaminum-9,10-diona (AQM-Br), que podría participar en las reacciones de Faradaic tanto en el lado positivo como en el negativo. electrodos, y lo probó en el sistema HSE de una manera dependiente de la concentración. El Dr. Yoo destaca: "La solubilidad de HQ en HSE se multiplicó por 7 y se sintetizó una especie de redox dual multifuncional de diseño (AQM-Br), cuya solubilidad mejoró significativamente de ser apenas soluble a >1 M por optimizando el HSE".

Además, los investigadores también intentaron comprender la acción de solubilización del electrolito HQ y AQM-Br. Utilizando el efecto Overhauser nuclear intermolecular y los análisis de dispersión dinámica de la luz, encontraron que la solubilización del hidrotropo para HQ/HSE se logró a través del mecanismo co-solubilizador, mientras que para AQM-Br/HSE, se debió a la formación de nanoestructuras cuasi-micelle. .

Al explicar las implicaciones potenciales del estudio, el profesor Yoo concluye: "Nuestro enfoque simple puede extenderse fácilmente a una clase diferente de especies redox y [ser] aplicable a una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las baterías de flujo redox. Además, nuestro estudio proporciona una guía para el diseño de electrolitos activos redox densos en energía y una selección óptima de HSE y pares de electrolitos activos redox".

Más información: Jinhwan Byeon et al, electrolito hidrotrópico que mejora la solubilidad con especies activas redox orgánicas hechas a medida para condensadores electroquímicos mejorados redox, ACS Energy Letters (2023). DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00254