Перспективний молекулярний каталізатор для окислювально-відновних батарей на основі водних полісульфідів

В останні роки дослідники вивчали потенціал широкого спектру нових технологій акумуляторів, включаючи так звані окисно-відновні батареї. Окисно-відновні батареї, також відомі як проточні батареї, — це елементи батареї, які генерують електроенергію та накопичують енергію за допомогою так званих окисно-відновних хімічних реакцій.

Полісульфіди є активними матеріалами, які можуть бути особливо перспективними для розробки проточних акумуляторів через їх низьку вартість і велику кількість на Землі. Однак, незважаючи на свої переваги, ці матеріали демонструють повільну окисно-відновну реакцію або реакцію відновлення. Це досі обмежувало як енергоефективність , так і щільність потужності проточних батарей на основі полісульфіду.

Дослідники з Китайського університету Гонконгу нещодавно представили новий молекулярний каталізатор , який може допомогти підвищити продуктивність проточних батарей на основі полісульфідів. Цей каталізатор, представлений у Nature Energy , є водночас довговічним і активним, що забезпечує швидкі окислювально-відновні реакції в елементі батареї.

«Ідея запровадити окисно-відновні молекулярні каталізатори вперше прийшла до нас під час мозкового штурму з командою, під час якого ми обговорювали вузькі місця для комерціалізації RFB на основі полісульфіду», — сказав І-Чун Лу, один із дослідників. який проводив дослідження, розповів Tech Xplore.

«У той час ми щойно завершили інший проект із вирішення проблеми «мертвого MnO 2 » у цинково-марганцевих батареях із застосуванням йодидного посередника. Спираючись на цей досвід, ми припустили, що запровадження окисно-відновних молекулярних каталізаторів могло б усунути вузьке місце кінетики відновлення полісульфіду».

Ізоалоксазин і хінон є двома речовинами, які часто використовуються в енергетиці, оскільки вони, як відомо, є ефективними човниками електронів. У живих клітинах ці молекули можуть успішно переносити електрони в так званому дихальному ланцюгу, який, зрештою, виробляє енергію. Новий молекулярний каталізатор, представлений Лу та його колегами, заснований на сполукі, отриманій з ізоалоксазину, а саме фосфату натрію рибофлавіну (FMN-Na).

«FMN-Na, похідне ізоалоксазину, є ідеальним кандидатом для каталізації відновлення полісульфіду завдяки його швидкій окисно-відновній кінетиці та відповідному окисно-відновному потенціалу», — пояснив Лу. «Під час процесу заряджання молекулярний каталізатор отримує електрони від електрода та відновлюється, утворюючи відновлений FMN. Цей комплекс згодом переносить електрони на полісульфід через спонтанну хімічну реакцію, під час якої молекулярний каталізатор окислюється до свого початкового стану (окислений- FMN).”

Стратегія розробки, запропонована цією командою дослідників, може покращити здатність полісульфідів до електрохімічного відновлення, що, у свою чергу, може полегшити окисно-відновні реакції в елементах акумулятора на основі полісульфіду. Це досягається завдяки швидкій окисно-відновній кінетиці молекулярного каталізатора FMN-Na, який вони ідентифікували.

«Більшість зареєстрованих каталізаторів для водних полісульфідних акумуляторів — це тверді електрокаталізатори, тобто гетерогенний каталіз із використанням твердої речовини для каталізування реакції в розчині (тобто реакції відновлення полісульфіду)», — сказав Лу.

«На відміну від гетерогенного каталізу , молекулярний каталіз не обмежується активними центрами електрода та поверхні каталізатора, оскільки як реагент (S 4 2– ), так і каталізатор (FMN-Na) розчиняються. Наша робота показує, що гомогенний каталіз є ефективним підхід до вирішення млявої кінетики полісульфіду».

Під час експериментів було виявлено, що елементи проточної батареї, що містять каталізатор команди, працюють добре, розпадаючись зі швидкістю 0,00004% за цикл після роботи протягом 2000 циклів при 40 мАсм -2 . Щоб продемонструвати масштабованість каталізатора, Лу та його колеги використали його для створення стека клітин площею 100 см 2 .

Як показали перші висновки дослідників, їхній підхід до покращення продуктивності проточних акумуляторів на основі полісульфіду також можна розширити для створення систем з більшими проточними акумуляторами . Подальші дослідження можуть допомогти в подальшій оцінці та підтвердженні потенціалу цього підходу шляхом перевірки продуктивності різних акумуляторних елементів , що містять каталізатор FMN-Na.

«Ми вважаємо, що цей підхід можна широко застосувати до інших потокових систем», — додав Лу. «Зараз ми працюємо з нашим промисловим партнером Luquos Energy Ltd. для подальших досліджень і розробок і комерціалізації».

За матеріалами techxplore.com