Impacto del sustituto en el rendimiento y la degradación de la quinoxalina en las baterías de flujo redox

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Almacenamiento de energía renovable

Sus antecedentes:

• Las baterías de flujo redox acuoso (RFB) son cruciales para el almacenamiento de energía renovable a escala de red debido a su bajo costo.
• Los derivados de quinoxalina son prometedores como materiales de almacenamiento de carga, pero sufren de una baja estabilidad química, con tasas de desvanecimiento de capacidad superiores al 20% por día.
• Estudios anteriores destacaron problemas de inestabilidad en los RFB basados en quinoxalina, lo que limita su aplicación práctica.

Objetivo del estudio:

• Investigar la estabilidad química de los derivados de la quinoxalina, específicamente el ácido 2,3-dimetilquinoxalino-6-carboxílico (DMeQUIC), en RFB acuosos.
• Elucidar los mecanismos de degradación, en particular la tautomerización, que afectan el rendimiento de estos materiales.
• Establecer principios de diseño molecular para mejorar la estabilidad y la longevidad de los RFB basados en quinoxalina.

Principales métodos:

• Inferencia bayesiana aplicada a los datos espectroscópicos ultravioleta-visibles (UV-Vis) de las células de flujo de operación para determinar las constantes cinéticas de velocidad para la tautomerización.
• Las constantes de velocidad de tautomerización cuantitativamente correlacionadas con la capacidad medida se desvanecen en las células cicladas.
• Utilizó el modelado de la teoría funcional de la densidad (DFT) para identificar factores estructurales y químicos que influyen en la resistencia a la tautomerización.

Principales resultados:

• Se estableció que el DMeQUIC se somete a tautomerización en su forma reducida en condiciones alcalinas, lo que lleva a una disminución de la capacidad.
• Demostró que las constantes de velocidad cinética para la tautomerización predicen con precisión el desvanecimiento de la capacidad en el ciclo RFB.
• Identificó el ácido quinoxalino-2-carboxílico como un derivado significativamente más estable, que no muestra desvanecimiento de capacidad en el ciclo celular simétrico mixto.

Conclusiones:

• Los principios de diseño molecular identificados proporcionan una vía para desarrollar derivados estables de quinoxalina para RFBs orgánicos acuosos prácticos.
• Comprender y controlar la tautomerización es clave para mejorar la ciclabilidad y el rendimiento a largo plazo de estos sistemas de almacenamiento de energía.
• Este trabajo allana el camino para una adopción más amplia de materiales basados en quinoxalina en aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de red.