Los hidrotropos adaptados a especies activas redox orgánicas escasamente solubles pueden aumentar su solubilidad y la actividad redox de los condensadores electroquímicos, sin comprometer la cinética electroquímica de las moléculas redox, según un nuevo estudio realizado por científicos en Corea. Fuente: Dr. Seung Joon Yoo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea
Las tecnologías de baterías dominantes que utilizan fuentes de energía inflamables, tóxicas, insostenibles y costosas contribuyen en gran medida 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 limitar los efectos del cambio climático. Esta transición se puede apoyar mejorando la eficiencia de los sistemas de almacenamiento de energía para una operación más segura y estable, sustentabilidad y alta densidad de energía/potencia.
La investigación en este frente se ha centrado en enfoques de ingeniería molecular para el desarrollo de condensadores electroquímicos acuosos redox mejorados (redox EC). Redox EC es 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.
Gracias al uso de electrolitos redox orgánicos, son conocidos por su rentabilidad, el uso de elementos abundantes en la tierra y el ajuste estructural. Sin embargo, un gran desafío en su desarrollo es la falta de suficiente solubilidad de estos compuestos en sistemas acuosos, lo que resulta en una baja densidad de energía. Además, los intentos previos para mejorar su solubilidad han resultado costosos y requieren mucho tiempo.
Ahora, los científicos en Corea han utilizado un electrolito que mejora el hidrotropismo (HSE) como un enfoque para aumentar la solubilidad de las especies orgánicas con actividad redox. El estudio, dirigido por el profesor asistente Seung Joon Yoo y el profesor Sukwon Hong del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju de Corea, se publicó en Listas de energía ACS.
Los científicos utilizaron el proceso de hidrotropía, que utiliza una clase de moléculas anfifílicas. En este fenómeno único de solubilización, el volumen del componente hidrófobo es relativamente pequeño en comparación con el volumen del tensioactivo, lo que permite que la solubilidad del soluto escasamente soluble se multiplique varias veces. Los investigadores probaron varias quinonas como especie modelo para determinar su idoneidad como aditivo redox activo y su estabilidad electroquímica aceptable.
Los investigadores encontraron que el uso de HSE (ácido p-toluenosulfónico (p-TsOH), ácido 2-naftalenosulfónico (2-NpOH) y ácido antraquinona-2-sulfónico (AQS)) mejoró la solubilidad de la hidroquinona (HQ) sin funcionalización química. Es importante destacar que demostraron que el aumento de la solubilidad es proporcional a la concentración del HSE relevante.
Además, diseñaron una sal birthox, 2-[N,N,N-tris(2-hydroxyethyl)] bromuro de antracenometanamino-9,10-diona (AQM-Br), que podría participar en reacciones faradaicas tanto en el electrodo positivo como en el negativo, y se probó en el sistema HSE de manera dependiente de la concentración. El Dr. Yoo enfatiza: “La solubilidad de HQ en HSE se multiplicó por siete y se sintetizó una forma redox doble multifuncional de diseño (AQM-Br), cuya solubilidad aumentó significativamente de apenas soluble a > 1 M mediante la optimización de BHP. ”
Además, los científicos también intentaron comprender el efecto de solubilización de los electrolitos HQ y AQM-Br. Utilizando el efecto Overhauser nuclear intermolecular y los análisis de dispersión dinámica de la luz, encontraron que la solubilización hidrotrópica para HQ/HSE se logró a través de un mecanismo co-solubilizador, mientras que para AQM-Br/HSE se debió a la formación de nanoestructuras casi micelares.
Al explicar las implicaciones potenciales del estudio, el Prof. Yoo concluye: “Nuestro enfoque simple se puede extender fácilmente a otra clase de especies redox y [be] tiene aplicaciones en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las baterías de flujo redox. Además, nuestro estudio proporciona orientación sobre el diseño de electrolitos activos redox densos en energía y la 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 personalizadas para condensadores electroquímicos redox mejorados, Listas de energía ACS (2023). DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00254
Proporcionado por GIST (Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju)