Hiểu biết về xeri có thể giúp nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện
của Taylor Shaffer, Đại học Michigan
Trừu tượng đồ họa. Ảnh: JACS Au (2022). DOI: 10.1021/jacsau.2c00484
Một lời giải thích cho lý do tại sao pin lưu lượng sử dụng xeri kim loại trong chất điện phân axit sunfuric bị thiếu điện áp, được phát hiện thông qua một nghiên cứu do Đại học Michigan dẫn đầu, có thể mở đường cho hóa học pin tốt hơn.
Pin dòng chảy là một trong những phương pháp đang được xem xét để lưu trữ các nguồn điện tái tạo không liên tục, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và gió. Chúng có thể dự trữ một lượng lớn năng lượng bằng cách giữ tiềm năng hóa học ở dạng lỏng, với hai chất điện phân chảy qua các điện cực xốp để sạc và phóng điện. Xeri kim loại có thể lưu trữ năng lượng ở điện áp tương đối cao, nghĩa là nhiều năng lượng hơn trên mỗi ion kim loại và với chi phí thấp.
Một trong những thách thức với xeri là tìm ra cách làm cho các điện tích chuyển đến và đi từ điện cực một cách hiệu quả. Trên đường đi qua điện cực dương, xeri sẽ nhận hoặc bỏ một điện tử, tùy thuộc vào việc pin đang sạc hay xả.
Tuy nhiên, xeri trong chất điện phân axit sunfuric không nhận và nhả electron nhanh như mong đợi, nghĩa là năng lượng bị lãng phí. Hóa ra là các phân tử nước và phân tử sulfat đang thực hiện một điệu nhảy phức tạp xung quanh xeri, và đó là cách năng lượng bị thất thoát.
"Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi hiểu rõ hơn về cách các ion xeri hoạt động trong các chất điện phân có tính axit trong quá trình chuyển điện tích," Cailin Buchanan, tiến sĩ mới tốt nghiệp UM về kỹ thuật hóa học và là tác giả đầu tiên của bài báo trên tạp chí JACS Au cho biết.
"Sự hiểu biết này sẽ giúp chúng tôi và các nhà nghiên cứu trong tương lai thiết kế các loại pin dựa trên xeri hiệu quả hơn, ít bị mất điện áp hơn trong quá trình sạc và xả."
Nhóm nghiên cứu đã xem xét kỹ những gì đang xảy ra khi xeri nhặt và nhả các electron, sử dụng sự hấp thụ tia X để theo dõi các liên kết và mối liên hệ giữa xeri, sunfat và nước. Những thí nghiệm này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Họ đã theo dõi các phép đo đó bằng mô phỏng trên máy tính, do Bryan Goldsmith, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Dow Corning tại U-M, dẫn đầu.
"Chúng tôi thấy rằng khi xeri thiếu ba electron, nó chỉ được bao quanh bởi các phân tử nước, trong khi khi nó nhường electron thứ tư đó, các ion sunfat hoặc bisulfat sẽ bám vào ion xeri," Nirala Singh, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học của UM cho biết và tác giả tương ứng của nghiên cứu, người dẫn đầu thí nghiệm.
"Kết quả là, khi chúng ta oxy hóa xeri bằng cách lấy đi điện tử đó, hoặc khử nó bằng cách trả lại điện tử, cả quá trình chuyển điện tử phải xảy ra và các phân tử xung quanh nó phải sắp xếp lại."
Bằng cách hiểu năng lượng liên quan đến sự sắp xếp lại cấu trúc này, các nhà nghiên cứu đã có thể giải thích tại sao phản ứng là không đối xứng, trong đó quá trình oxy hóa và khử hoạt động khác nhau. Vì lý do này, lý thuyết tiếp theo để dự đoán tốc độ truyền điện tử, được gọi là lý thuyết Marcus, là không đủ. Thay vào đó, nhóm nhận thấy rằng có thể sử dụng lý thuyết Marcus để tìm ra mảnh chuyển điện tử và sau đó bổ sung các tác động của việc sắp xếp lại trong một quy trình gồm hai bước.
Singh cho biết: “Sự phức tạp không đồng đều giữa dạng xeri bị oxy hóa và dạng khử làm cho tốc độ phản ứng chậm lại và kiến thức này sẽ cung cấp các chiến lược thiết kế chất điện phân cho xeri hoặc các loại pin dòng chảy tương tự khác”.
Sử dụng phương pháp hai bước của nhóm, các nhà nghiên cứu sẽ có thể xác định các chất điện phân có tốc độ phản ứng nhanh, mang lại hiệu quả cao. Cuối cùng, mục tiêu là sử dụng các chất điện phân không lưu trữ các lượng năng lượng khác nhau trong các phức hợp xung quanh ion xeri bị oxy hóa hoặc khử.
Ngoài việc mở ra những con đường mới trong việc lưu trữ năng lượng ở quy mô lưới điện, khám phá này có thể cải thiện các quy trình hóa học khác dựa vào xeri, chẳng hạn như sản xuất các sản phẩm dựa trên carbon và khử nhiễm nước thải.
