Nhóm nghiên cứu do Giáo sư He Gang đứng đầu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên phong, Đại học Giao thông Tây An (Trung Quốc), mới đây công bố vật liệu điện cực âm diol-dex-NDI cho pin dòng chảy hữu cơ nước trung tính, đạt độ hòa tan 1,82 M (1,82 mol/L) và không suy giảm dung lượng sau 620 chu kỳ sạc-xả ở nồng độ 1,0 M.
Kết quả này nằm trong nghiên cứu về pin dòng chảy hữu cơ dạng nước (AORFBs), một công nghệ được kỳ vọng giúp tích trữ điện quy mô lớn để bù đắp sự bấp bênh của điện mặt trời và điện gió. Theo nhóm nghiên cứu, sự phát triển của loại pin này trước đây bị giới hạn bởi độ ổn định kém khi nồng độ chất điện phân cao và động học phản ứng oxy hóa - khử chậm.
Pin dòng chảy hữu cơ đã có bước tiến gì mới?
Công trình đề xuất chiến lược phá vỡ đối xứng mạch bên (side-chain symmetry breaking): thay vì dùng phân tử đối xứng, nhóm nghiên cứu dùng phương pháp tổng hợp một nồi (one-pot) để tạo ra một loạt vật liệu naphthalene diimide (NDI) - hợp chất hữu cơ làm điện cực âm - có mạch bên không đối xứng. Trong số đó, diol-dex-NDI có độ hòa tan nổi bật, lên tới 1,82 M.
Các phép tính lý thuyết phiếm hàm mật độ và mô phỏng động học phân tử cho thấy phân tử này ưu tiên sắp xếp theo kiểu chồng pi-pi phản song song, giúp tăng độ ổn định nhiệt động và ngăn các phân tử kết tụ với nhau. Kết quả đo quang phổ Raman tại chỗ cũng cho thấy sự thay đổi động học của lớp vỏ nước bao quanh phân tử trong quá trình chuyển điện tử, trong đó rào cản năng lượng khử dung môi của diol-dex-NDI giảm 35% so với dạng đối xứng dex-NDI.
Ngoài ra, tương tác pi-pi và tương tác lưỡng cực giữa phân tử với bề mặt điện cực giúp tăng năng lượng hấp phụ, thúc đẩy động học chuyển điện tích. Việc thiết kế mạch bên cũng củng cố liên kết C-N, nhờ đó tăng khả năng chống phân hủy điện hóa của vật liệu.
Kết quả chính của nghiên cứu
| Chỉ số | Kết quả |
|---|---|
| Độ hòa tan của diol-dex-NDI | 1,82 M |
| Rào cản năng lượng khử dung môi so với dex-NDI đối xứng | giảm 35% |
| Nồng độ chất điện phân trong thử nghiệm pin | 1,0 M |
| Số chu kỳ sạc-xả | 620 chu kỳ |
| Dung lượng sau 620 chu kỳ | không suy giảm đáng kể |
Vì sao đáng chú ý?
Điểm đáng chú ý là nhóm nghiên cứu xử lý cùng lúc hai vấn đề khó của pin dòng chảy hữu cơ nước trung tính: nồng độ cao và tuổi thọ dài. Thông thường, việc tăng nồng độ chất điện phân dễ làm vật liệu kết tụ và suy giảm nhanh; với thiết kế mới, pin vẫn giữ dung lượng ổn định sau 620 chu kỳ ở nồng độ 1,0 M.
Công trình được đăng trên tạp chí quốc tế Angewandte Chemie International Edition và được chọn làm ảnh bìa trong (Inside Front Cover). Nghiên cứu sinh Zhang Heng là tác giả đầu tiên, Giáo sư He Gang là tác giả liên hệ, và Đại học Giao thông Tây An là đơn vị hoàn thành nghiên cứu chính. Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, các chương trình khoa học công nghệ của tỉnh Thiểm Tây cùng một số quỹ học thuật khác.
Bối cảnh
Pin dòng chảy hữu cơ nước trung tính được xem là một hướng lưu trữ năng lượng an toàn nhờ dùng chất điện phân hữu cơ hòa tan trong nước thay vì dung môi độc hại. Tuy nhiên, các vật liệu hữu cơ hiện tại thường khó đạt đồng thời độ hòa tan cao, khả năng chống kết tụ và độ bền trong thời gian dài.
Nghiên cứu mới đưa ra cách tiếp cận từ thiết kế phân tử, điều chỉnh cách sắp xếp phân tử, độ tan, động học phản ứng và độ ổn định hóa học. Kết quả này có thể mở ra hướng phát triển chất điện phân cho pin dòng chảy hữu cơ nước ở nồng độ cao với tuổi thọ dài hơn, phù hợp với nhu cầu lưu trữ điện từ năng lượng tái tạo.
Theo Xi'an Jiaotong University News
Ảnh: PublicDomainPictures / Pixabay
