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 lưu 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 xả. 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.
>> Tham khảo: Bắt chước sự sống: Bước đột phá từ vật liệu vô sinh.
“Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi hiểu rõ hơn về cách các ion xeri hoạt động trong chất điện phân có tính axit trong quá trình truyền điện tích,” Cailin Buchanan, một sinh viên mới tốt nghiệp tiến sĩ tại 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 theo dõi các phép đo đó bằng các mô phỏng trên máy tính, do Bryan Goldsmith, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Dow Corning tại UM, đứng đầu.
Nirala Singh, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học của UM cho biết: “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”. và tác giả tương ứng của nghiên cứu, người dẫn đầu thí nghiệm.
>> Tham khảo: Những hiểu biết mới mở ra cánh cửa cho một công nghệ năng lượng mặt trời.
“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 nghiên cứu thấy rằng có thể sử dụng lý thuyết Marcus để tìm ra phần chuyển điện tử và sau đó thêm vào các hiệu ứng sắp xếp lại trong quy trình 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.
>> Tham khảo: Vi khuẩn có chức năng ghi lại nắm bắt tình trạng sức khỏe đường ruột.
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 cacbon và khử nhiễm nước thải.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Đại học Michigan và Chương trình nghiên cứu sinh bền vững của Dow. Các điện cực để chuẩn bị các ion xeri được cung cấp bởi De Nora.
Tài nguyên điện toán được cung cấp bởi Trung tâm điện toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia của Bộ năng lượng và Môi trường khám phá khoa học và kỹ thuật cực đoan của Quỹ khoa học quốc gia.
