Các công nghệ pin chiếm ưu thế sử dụng các nguồn năng lượng dễ cháy, độc hại, không bền vững và đắt đỏ là nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Do đó, việc chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang các nguồn năng lượng sạch hơn và thân thiện với môi trường là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu. Quá trình chuyển đổi này có thể được hỗ trợ bằng cách nâng cao hiệu quả của hệ thống lưu trữ năng lượng để vận hành an toàn và ổn định hơn, bền vững, mật độ năng lượng/năng lượng cao.
Nghiên cứu về lĩnh vực này đã tập trung vào các phương pháp tiếp cận kỹ thuật phân tử để phát triển các tụ điện hóa được tăng cường oxi hóa khử dựa trên dung dịch nước (EC oxi hóa khử). EC oxi hóa khử là một loại tụ điện hai lớp điện lai tiên tiến sử dụng các phân tử hoạt tính oxi hóa khử ở giao diện điện cực-chất điện phân để tăng mật độ năng lượng.
Nhờ sử dụng các chất điện phân hoạt động oxi hóa khử hữu cơ, chúng được biết là mang lại giá trị xứng đáng về chi phí, sử dụng các nguyên tố dồi dào trên trái đất và khả năng điều chỉnh cấu trúc. Tuy nhiên, một thách thức lớn trong quá trình phát triển của chúng là thiếu khả năng hòa tan đầy đủ của các loài này trong các hệ thống nước, dẫn đến mật độ năng lượng thấp. Hơn nữa, những nỗ lực trước đây nhằm cải thiện khả năng hòa tan của chúng đã được chứng minh là tốn nhiều thời gian và chi phí.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Hàn Quốc đã sử dụng chất điện phân hỗ trợ hydrotropic (HSE) như một cách tiếp cận để tăng cường khả năng hòa tan của các loại hoạt tính oxi hóa khử hữu cơ. Nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Seung Joon Yoo và Giáo sư Sukwon Hong từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju ở Hàn Quốc đứng đầu đã được công bố trên tạp chí ACS Energy Letters .
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình hydrotropy, trong đó một loại phân tử lưỡng tính được sử dụng. Trong hiện tượng hòa tan độc đáo này, thể tích của thành phần kỵ nước tương đối nhỏ so với thể tích của chất hoạt động bề mặt, do đó cho phép tăng khả năng hòa tan của chất tan ít tan nhiều lần. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một loạt quinon như một loài mẫu nhờ công dụng của chúng như một chất phụ gia có hoạt tính oxi hóa khử và độ ổn định điện hóa chấp nhận được.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc sử dụng HSE ( axit p-toluene sulfonic (p-TsOH), axit 2-naphthalenesulfonic (2-NpOH) và axit anthraquinone-2-sulfonic (AQS)) đã cải thiện khả năng hòa tan của hydroquinone (HQ) mà không cần bất kỳ chức năng hóa học. Điều quan trọng là họ đã chứng minh rằng sự gia tăng độ hòa tan tỷ lệ thuận với nồng độ của các HSE tương ứng.
Hơn nữa, họ đã thiết kế một loại muối biredox, 2-[N,N,N-tris(2-hydroxyethyl)] antracenemethaneminum-9,10-dione bromide (AQM-Br), có thể tham gia vào các phản ứng Faradaic ở cả cực dương và cực âm. các điện cực và thử nghiệm nó trong hệ thống HSE theo cách phụ thuộc vào nồng độ. Tiến sĩ Yoo nhấn mạnh: "Khả năng hòa tan của HQ trong HSE đã tăng gấp 7 lần và một loại oxi hóa khử kép đa chức năng thiết kế (AQM-Br) đã được tổng hợp, khả năng hòa tan của nó được tăng cường đáng kể từ hầu như không hòa tan lên >1 M bằng cách tối ưu hóa HSE."
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng cố gắng tìm hiểu hoạt động hòa tan của cả chất điện phân HQ và AQM-Br. Sử dụng hiệu ứng Overhauser hạt nhân liên phân tử và các phân tích tán xạ ánh sáng động, họ phát hiện ra rằng quá trình hòa tan hydrotrope đối với HQ/HSE đạt được thông qua cơ chế đồng hòa tan, trong khi đối với AQM-Br/HSE, đó là do sự hình thành cấu trúc nano gần như micelle. .
Giải thích ý nghĩa tiềm tàng của nghiên cứu, Giáo sư Yoo kết luận: "Phương pháp tiếp cận đơn giản của chúng tôi có thể dễ dàng mở rộng cho một loại các loại oxi hóa khử khác và [có thể] áp dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm cả pin dòng oxi hóa khử. Ngoài ra, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một hướng dẫn cho việc thiết kế các chất điện phân hoạt động oxi hóa khử đậm đặc năng lượng và lựa chọn tối ưu các cặp chất điện phân hoạt động oxi hóa khử và HSE."
