Pin lưu lượng hữu cơ dạng nước (AOFB) hứa hẹn cho việc tích hợp năng lượng tái tạo và lưu trữ lưới điện do tính an toàn vốn có của chúng, cũng như tính sẵn có của các phân tử hoạt động oxy hóa khử hữu cơ (ORAM) dồi dào tự nhiên và có thể điều chỉnh tổng hợp. Tuy nhiên, những thách thức như mật độ năng lượng thấp, độ ổn định kém ở nồng độ cao và chi phí tổng hợp cao cản trở khả năng thương mại của chúng.
Hình ảnh trừu tượng. Tín dụng: DICP
Việc phát triển ORAM cung cấp cả mật độ năng lượng cao và hiệu suất chu kỳ cực kỳ ổn định là điều cần thiết để thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng tĩnh. Việc tăng số lần chuyển electron trong ORAM có thể tăng mật độ năng lượng và giảm chi phí chất điện phân ở cùng nồng độ. Tuy nhiên, ORAM chuyển nhiều electron thường phải đối mặt với "sự đánh đổi" giữa tính ổn định và độ hòa tan.
Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Li Xianfeng và Giáo sư Zhang Changkun từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (DICP) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đứng đầu đã phát triển một dẫn xuất pyrene tetraone có độ hòa tan trong nước cao giúp tăng cường đáng kể mật độ năng lượng của AOFB trong khi vẫn duy trì được độ ổn định ở nhiệt độ cao.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một monome pyrene-4,5,9,10-tetraone-1-sulfonate (PTO-PTS) không đối xứng thông qua phản ứng oxy hóa-sulfon hóa ghép nối. Monome cải tiến này có thể lưu trữ bốn electron một cách thuận nghịch, cung cấp nồng độ electron lý thuyết cao là 4,0 M, cũng như một gốc tự do semiquinone trung gian cực kỳ ổn định.
Tóm tắt đồ họa. Tín dụng: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.4c12506
Khi áp dụng cho AOFB, monome này đạt được dung lượng thể tích cực cao khoảng 90 Ah/L. AOFB duy trì khả năng giữ dung lượng gần 100% sau 5.200 chu kỳ trong không khí, chứng tỏ tiềm năng lớn cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn.
Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cấu trúc liên hợp mở rộng của lõi pyrene tetraone tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển bốn electron thuận nghịch thông qua hiện tượng đồng phân hóa enol. Việc đưa một nhóm axit sulfonic đơn lẻ vào lõi làm giảm độ phẳng phân tử và tăng cường mật độ điện tích khu vực và liên kết hydro với các phân tử nước, do đó cải thiện độ hòa tan trong chất điện phân nước.
Hơn nữa, monome này ổn định gốc tự do semiquinone trung gian thông qua quá trình dịch chuyển hiệu quả cấu trúc liên hợp và sắp xếp π-π theo thứ tự trong quá trình oxy hóa khử, góp phần tạo nên độ ổn định tuyệt vời trong không khí và nhiệt độ cao.
AOFB kết hợp dẫn xuất pyrene tetraone đạt được mật độ năng lượng là 60 Wh/L. Cả pin đối xứng và pin đầy đều không biểu hiện khả năng phân hủy rõ ràng sau hàng nghìn chu kỳ ở 60 °C, cho thấy độ ổn định chu kỳ tốt (khoảng 1.500 giờ) và hiệu suất hứa hẹn trong phạm vi nhiệt độ rộng (10 đến 60 °C).
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
