研究者らはエネルギー貯蔵システムを強化するために酸化還元分子の溶解度を向上させる

2023 年 6 月 1 日

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GIST (光州科学技術大学) 著

可燃性、有毒、持続不可能、高価なエネルギー源を使用する主要なバッテリー技術は、気候変動の主な原因となっています。 したがって、化石燃料からクリーンで環境に優しいエネルギー源に切り替えることは、気候変動の影響を抑えるために非常に重要です。 この移行は、エネルギー貯蔵システムの効率を向上させて、より安全で安定した運用、持続可能性、高いエネルギー/電力密度を実現することでサポートできます。

この分野の研究は、水ベースのレドックス増強電気化学キャパシタ（レドックス EC）の開発に対する分子工学的アプローチに焦点を当ててきました。 レドックス EC は、電極と電解質の界面でレドックス活性分子を使用してエネルギー密度を高める一種の先進的なハイブリッド電気二重層キャパシタです。

有機レドックス活性電解質の使用により、それらはコストメリット、地球に豊富に存在する元素の使用、および構造調整可能性を提供することが知られています。 しかし、それらの開発における大きな課題は、これらの種が水系で十分な溶解度を持たないことであり、その結果、エネルギー密度が低くなります。 さらに、溶解性を改善するためのこれまでの試みは、時間と費用がかかることが判明しました。

現在、韓国の研究者らは、有機レドックス活性種の溶解度を高めるアプローチとしてヒドロトロピック支持電解質 (HSE) を使用しています。 韓国の光州科学技術大学のスン・ジュン・ユ助教授とソクォン・ホン教授が主導したこの研究は、ACS Energy Lettersに掲載された。

研究者らは、一種の両親媒性分子を使用するヒドロトロピーのプロセスを利用した。 この独特の可溶化現象では、疎水性成分の体積が界面活性剤の体積に比べて比較的小さいため、難溶性溶質の溶解度が何倍にも増加します。 研究者らは、酸化還元活性添加剤としての有用性と許容可能な電気化学的安定性を理由に、モデル種としてさまざまなキノンをテストしました。

研究者らは、HSE (p-トルエンスルホン酸 (p-TsOH)、2-ナフタレンスルホン酸 (2-NpOH)、アントラキノン-2-スルホン酸 (AQS)) を使用すると、ヒドロキノン (HQ) の溶解度が向上することを発見しました。化学的機能化。 重要なことに、彼らは、溶解度の増加がそれぞれの HSE の濃度に比例することを実証しました。

さらに、彼らは、正と負の両方でファラデー反応に参加できるビレドックス塩、2-[N,N,N-トリス(2-ヒドロキシエチル)] アントラセンメタナム-9,10-ジオン臭化物 (AQM-Br) を設計しました。電極を使用し、HSE システムで濃度に応じてテストしました。 Yoo 博士は、「HSE における HQ の溶解度は 7 倍に増加し、設計された多機能二重酸化還元種 (AQM-Br) が合成されました。その溶解度は、 HSE を最適化します。」

さらに、研究者らは、HQ 電解質と AQM-Br 電解質の両方の可溶化作用を理解しようと試みました。 彼らは、分子間核オーバーハウザー効果と動的光散乱解析を用いて、HQ/HSEのヒドロトロープ可溶化は共可溶化機構によって達成されるのに対し、AQM-Br/HSEの場合は準ミセルナノ構造の形成によるものであることを発見した。 。

この研究の潜在的な意味を説明し、Yoo教授は次のように結論づけている。「私たちの単純なアプローチは、異なるクラスの酸化還元種に容易に拡張でき、レドックスフロー電池を含む幅広い用途に適用可能です。さらに、私たちの研究は次のように結論付けています。エネルギー密度の高い酸化還元活性電解質の設計と、HSE と酸化還元活性電解質のペアの最適な選択に関するガイドラインです。」

詳しくは： Jinhwan Byeon et al、レドックス強化電気化学キャパシタ用のオーダーメイド有機レドックス活性種を使用した溶解度強化ヒドロトロープ電解質、ACS Energy Letters (2023)。 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00254