Araştırmacılar, AOFB enerji yoğunluğunu ve kararlılığını artıran yüksek çözünürlüklü bir piren tetraon türevi (PTO-PTS) geliştirdiler. Bu monomer, 90 Ah/L'ye ulaşan ve 5.200 döngüden sonra %100 kapasite tutmayı koruyan geri dönüşümlü dört elektronlu depolamayı mümkün kılar.
Sulu organik akış pilleri (AOFB'ler), doğal güvenlikleri ve doğal olarak bol miktarda bulunan, sentetik olarak ayarlanabilir organik redoks aktif moleküllerin (ORAM'lar) mevcudiyeti sayesinde yenilenebilir enerjiyi entegre etmek ve elektrik şebekesi depolamasını geliştirmek için umut verici bir teknolojidir. Ancak ticari uygulanabilirlikleri, düşük enerji yoğunluğu, yüksek konsantrasyonlarda zayıf kararlılık ve yüksek sentez maliyetleri gibi zorluklarla sınırlıdır.
Sabit enerji depolamayı ilerletmek için, yüksek enerji yoğunluğunu uzun vadeli döngü kararlılığıyla birleştiren ORAM'lar geliştirmek çok önemlidir. Molekül başına elektron transferlerinin sayısını artırmak, konsantrasyonu artırmadan enerji yoğunluğunu artırabilir ve elektrolit maliyetlerini düşürebilir. Ancak, çok elektronlu transfer ORAM'ları genellikle kararlılık ve çözünürlük arasındaki bir dengeyle mücadele eder ve bu da pratik uygulamaları için önemli bir zorluk oluşturur.
Yüksek Çözünürlüklü ORAM'larda Atılım
Journal of the American Chemical Society'de yayınlanan bir çalışmada, Çin Bilimler Akademisi'nin (CAS) Dalian Kimyasal Fizik Enstitüsü'nden (DICP) Prof. Xianfeng Li ve Prof. Changkun Zhang liderliğindeki bir araştırma ekibi, yüksek sıcaklıkta kararlılığı korurken AOFB'lerin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde artıran yüksek suda çözünürlüğe sahip bir piren tetraon türevi geliştirdi.
Araştırmacılar, bir kuplaj oksidasyon-sülfonasyon reaksiyonu yoluyla asimetrik bir piren-4,5,9,10-tetraon-1-sülfonat (PTO-PTS) monomeri tasarladılar. Bu yenilikçi monomer, dört elektronu geri dönüşümlü olarak depolayabilir ve 4,0 M'lik yüksek bir teorik elektron konsantrasyonunun yanı sıra ultra kararlı bir ara yarı kinon serbest radikali sunabilir. AOFB'lere uygulandığında, bu monomer yaklaşık 90 Ah/L'lik ultra yüksek hacimsel kapasiteye ulaştı. AOFB'ler havada 5.200 döngüden sonra neredeyse %100 kapasite tutmayı korudu ve büyük ölçekli enerji depolama için büyük bir potansiyel gösterdi.
PTO-PTS'nin Temel Yapısal Avantajları
Ayrıca, araştırmacılar piren tetraon çekirdeklerinin genişletilmiş konjuge yapısının enolizasyon tautomerizmi yoluyla geri dönüşümlü dört elektron transferini kolaylaştırdığını buldular. Çekirdeğe tek bir sülfonik asit grubunun sokulması moleküler düzlemselliği azalttı ve bölgesel yük yoğunluğunu ve su molekülleriyle hidrojen bağını artırarak sulu elektrolitlerdeki çözünürlüğü iyileştirdi.
Dahası, monomer konjuge yapının etkili delokalizasyonu ve redoks işlemi sırasında düzenli π-π istiflenmesi yoluyla ara yarı kinon serbest radikalini stabilize etti ve havada ve yüksek sıcaklıklarda mükemmel stabiliteye katkıda bulundu.
Pirene tetraon türevini içeren AOFB'ler 60 Wh/L'lik bir enerji yoğunluğuna ulaştı. Hem simetrik hem de tam hücreler 60 °C'de binlerce döngüden sonra belirgin bir kapasite azalması göstermedi, bu da iyi döngü kararlılığını (yaklaşık 1.500 saat) ve geniş bir sıcaklık aralığında (10 ila 60 °C) umut verici bir performansı gösteriyor.
Kaynak: Guangxu Ge, Chenkai Mu, Yonggang Wang, Changkun Zhang ve Xianfeng Li tarafından yazılan “Dört Elektron Transferli Pirene-4,5,9,10-tetraon Türevleri Yüksek Enerji Yoğunluklu Sulu Organik Akış Pillerini Etkinleştirdi”, 31 Ocak 2025, Amerikan Kimya Derneği Dergisi.
DOI: 10.1021/jacs.4c12506