Molecular Mechanism and Electrostatic Effect Enabling Symmetric All-Quinone Aqueous Redox Flow Batteries

Autor(es)

Clarindo, Jose Eduardo dos Santos ; Colombo, Rafael Neri Prystaj ; Sedenho, Graziela Cristina ; Faria, Luana Cristina Italiano ; Bertaglia, Thiago ; Lima, Filipe Camargo Dalmatti Alves ; Gomes, Roberto da Silva ; Aziz, Michael J. ; Crespilho, Frank Nelson

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING; v. 12, n. 31, p. 10-pg., 2024-07-23.

Resumo

Symmetric all-quinone aqueous redox flow batteries (SQA-RFBs), in which the same quinone derivative is used as the electroactive compound in the negative and positive electrolytes, thereby obviating the need for a species-selective membrane, have been pursued as a potentially cost-effective and sustainable technology for stationary-electrical energy storage. Molecular decomposition during redox activity has frustrated all symmetric organic aqueous RFB development attempts. We used in situ/operando spectroelectrochemistry and density functional theory calculations to demonstrate that during the redox reaction of alizarin red S (ARS), a promising quinone for SQA-RFBs, intramolecular electronic oscillations form positively charged intermediates. Electrodes functionalized with net negative charge stabilize these intermediates via a hybrid adsorptive-diffusive electrochemical reaction mechanism, thereby enabling the cycling of the SQA-RFB. To understand the mechanism, spectroelectrochemical studies were performed on a series of electrodes with and without this functionalization. We report the performance of the first membraneless SQA-RFB prototype, containing ARS in the electrolyte storage reservoirs and instrumented with a reference electrode to evaluate the evolution of the half-cell potentials. (AU)

• Processo FAPESP: 22/09164-5 - Compreendendo os mecanismos de transferência de carga em sistemas biológicos e biomiméticos usando técnicas in-situ e operando: desde a ciência fundamental à aplicação na área energética
• Beneficiário: Frank Nelson Crespilho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 19/21089-6 - Superfícies de carbono para aplicação em baterias orgânicas: propriedades estruturais da interface hidrogel/eletrólito/eletrodo
• Beneficiário: Luana Cristina Italiano Faria
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 21/05665-7 - Desenvolvimento de superfícies de Van der Waals para aplicação em biodispositivos
• Beneficiário: Rafael Neri Prystaj Colombo
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 19/15333-1 - Células híbridas bio-foto-eletroquímicas para conversão de energia solar
• Beneficiário: Frank Nelson Crespilho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 17/15714-0 - Bateria de fluxo redox acoplada com biocélula a combustível microbiológica
• Beneficiário: Graziela Cristina Sedenho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Processo FAPESP: 20/04796-8 - Estudos in situ e operando de metaloenzimas para conversão de energia e bioeletrossíntese de combustíveis
• Beneficiário: Graziela Cristina Sedenho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 15/22973-6 - Desenvolvimento de Biocélulas a Combustível Microbiológicas para Bioprodução e Oxidação de Etanol
• Beneficiário: Graziela Cristina Sedenho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 21/14537-2 - Eletrodos de carbono de baixo custo e alto desempenho para aplicação em bateria de fluxo redox
• Beneficiário: Luana Cristina Italiano Faria
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 20/03681-2 - Microbaterias orgânicas: utilizando hidrogéis e moléculas redox bioinspirados
• Beneficiário: Thiago Bertaglia
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 18/22214-6 - Rumo à convergência de tecnologias: de sensores e biossensores à visualização de informação e aprendizado de máquina para análise de dados em diagnóstico clínico
• Beneficiário: Osvaldo Novais de Oliveira Junior
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 19/12053-8 - Eletrodos de alto desempenho aplicados em baterias orgânicas e em biocélulas a combustível
• Beneficiário: Frank Nelson Crespilho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 23/17506-6 - Estudo computacional do mecanismo de transferência eletrônica em sistemas híbridos nanoestruturados
• Beneficiário: Filipe Camargo Dalmatti Alves Lima
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular