I ricercatori migliorano la solubilità delle molecole redox per sistemi potenziati di stoccaggio dell'energia

1 giugno 2023

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a cura di GIST (Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju)

Le tecnologie dominanti delle batterie che utilizzano fonti energetiche infiammabili, tossiche, insostenibili e costose contribuiscono in modo determinante al cambiamento climatico. Il passaggio dai combustibili fossili a fonti energetiche più pulite e rispettose dell’ambiente è quindi fondamentale per ridurre gli impatti del cambiamento climatico. Questa transizione può essere supportata migliorando l’efficienza dei sistemi di stoccaggio dell’energia per operazioni più sicure e stabili, sostenibilità e alta densità di energia/potenza.

La ricerca su questo fronte si è concentrata su approcci di ingegneria molecolare allo sviluppo di condensatori elettrochimici redox potenziati a base acquosa (EC redox). Gli EC Redox sono un tipo di condensatori elettrici ibridi avanzati a doppio strato che utilizzano molecole redox-attive sull'interfaccia elettrodo-elettrolita per aumentare la densità di energia.

Grazie all'uso di elettroliti organici redox-attivi, sono noti per fornire un vantaggio in termini di costi, uso di elementi abbondanti sulla terra e sintonizzabilità strutturale. Tuttavia, una delle principali sfide nel loro sviluppo è la mancanza di sufficiente solubilità di queste specie nei sistemi acquosi, che si traduce in una bassa densità energetica. Inoltre, i precedenti tentativi di migliorare la loro solubilità si sono rivelati dispendiosi in termini di tempo e di costi.

Ora, i ricercatori coreani hanno utilizzato l’elettrolita di supporto idrotropico (HSE) come approccio per migliorare la solubilità delle specie organiche redox-attive. Lo studio, condotto dal professore assistente Seung Joon Yoo e dal professor Sukwon Hong dell'Istituto di scienza e tecnologia di Gwangju in Corea, è stato pubblicato su ACS Energy Letters.

I ricercatori hanno utilizzato il processo di idrotropia, in cui viene utilizzata una classe di molecole anfifiliche. In questo fenomeno di solubilizzazione unico, il volume del componente idrofobo è relativamente piccolo rispetto a quello del tensioattivo, consentendo così un aumento della solubilità del soluto scarsamente solubile multiplo. I ricercatori hanno testato una gamma di chinoni come specie modello grazie alla loro utilità come additivo redox-attivo e ad una stabilità elettrochimica accettabile.

I ricercatori hanno scoperto che l'uso dell'HSE (acido p-toluene solfonico (p-TsOH), acido 2-naftalensolfonico (2-NpOH) e acido antrachinone-2-solfonico (AQS)) ha migliorato la solubilità dell'idrochinone (HQ) senza alcuna funzionalizzazione chimica. È importante sottolineare che hanno dimostrato che un aumento della solubilità è proporzionale alla concentrazione dei rispettivi HSE.

Inoltre, hanno progettato un sale biredox, 2-[N,N,N-tris(2-idrossietil)] antracenemetanammino-9,10-dione bromuro (AQM-Br), che potrebbe partecipare alle reazioni faradaiche sia a livello positivo che negativo elettrodi e testato nel sistema HSE in modo dipendente dalla concentrazione. Il Dr. Yoo sottolinea: "La solubilità dell'HQ nell'HSE è stata aumentata di 7 volte ed è stata sintetizzata una specie multifunzionale a doppio redox (AQM-Br), la cui solubilità è stata significativamente migliorata da appena solubile a > 1 M mediante ottimizzando l'HSE."