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了解铈的怪癖可以帮助推进电网规模的储能

密歇根大学领导的一项研究发现了为什么在硫酸电解质中使用金属铈的液流电池电压不足的解释,可以为更好的电池化学铺平道路。

液流电池是正在考虑用于存储间歇性可再生能源(例如太阳能和风能)的方法之一。它们可以通过将化学势保持在液态来储存大量能量,两种电解质流过多孔电极进行充电和放电。金属铈可以在相对较高的电压下储存能量,这意味着每个金属离子的能量更多,而且成本低。

铈的挑战之一是弄清楚如何使电荷有效地转移到电极和从电极转移。在通过正极的过程中,铈会吸收或释放电子,具体取决于电池是在充电还是在放电。

然而,硫酸电解液中的铈并没有像预期的那样快速吸收和释放电子,这意味着能量被浪费了。事实证明,水分子和硫酸盐分子围绕着铈做着复杂的舞蹈,这就是能量损失的原因。

“通过这项研究,我们更好地了解了铈离子在电荷转移过程中如何在酸性电解质中表现,”最近刚毕业的密歇根大学化学工程博士、该论文的第一作者CailinBuchanan说,该论文发表在JACSAu杂志上。

“这种理解将帮助我们和未来的研究人员设计出更高效的铈基电池,这些电池在充电和放电过程中具有更少的电压损失。”

该团队仔细观察了铈吸收和释放电子时发生的情况,使用X射线吸收来关注铈、硫酸盐和水之间的键和结合。这些实验是在阿贡国家实验室完成的。他们在UM的道康宁化学工程助理教授BryanGoldsmith的带领下,通过计算机模拟跟踪了这些测量结果。

“我们发现,当铈缺少三个电子时,它只被水分子包围,而当它放弃第四个电子时,硫酸根或硫酸氢根离子就会悬挂在铈离子上,”密歇根大学化学工程助理教授NiralaSingh说。和该研究的通讯作者,他领导了实验。

“因此,当我们通过带走电子来氧化铈,或通过返回电子来还原铈时,电子转移和它周围的分子都必须重新排列。”

通过了解与这种结构重排相关的能量,研究人员能够解释为什么反应是不对称的,其中氧化和还原表现不同。正因为如此,预测电子转移速率的首选理论,即马库斯理论,是不够的。相反,该团队发现可以使用马库斯理论来计算出电子转移片,然后在两步过程中加入重排的影响。

“铈的氧化和还原形式之间的不均匀络合导致反应速率减慢,这一知识将为铈或其他类似液流电池的电解质设计策略提供信息,”辛格说。

使用该团队的两步法,研究人员将能够识别出反应速度快、效率高的电解质。最终,目标是使用不会在氧化或还原铈离子周围的复合物中储存不同能量的电解质。

除了为电网规模的储能开辟新途径外,这一发现还可以改善其他依赖铈的化学过程,例如碳基产品的制造和废水净化。

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