ОРГАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ ДЛЯ ПРОТОЧНЫХ РЕДОКС-БАТАРЕЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ: ЭКСТРАКЦИЯ И ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОАКТИВНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 544.6

Елхимов М.А., Петров ММ.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ ДЛЯ ПРОТОЧНЫХ РЕДОКС-БАТАРЕЙ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ: ЭКСТРАКЦИЯ И ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОАКТИВНОСТИ

Елхимов Михаил Алексеевич - магистрант 2-го года обучения научно-образовательной лаборатории «Электроактивные материалы и химические источники тока», chipofamber@gmail. com.

Петров Михаил Михайлович - кандидат физико-математических наук, заведующий научно-образовательной

лабораторией «Электроактивные материалы и химические источники тока»;

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»,

Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В статье рассмотрены различные модели проточных редокс-батарей, используемые электролиты и варианты получения их из возобновляемого растительного сырья.

Ключевые слова: аналитическая химия, ализарин, окислительно-восстановительные реакции проточные батареи, экстракция, электрохимия, электроактивность.

ORGANIC ELECTROLYTES FOR REDOX FLOW BATTERIES FROM PLANT MATERIAL: EXTRACTION AND ELECTROACTIVITY ANALYSIS

Elkhimov M.A., Petrov M.M.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The article discusses various models of redox fuel cells, their electrolytes and ways to acquire said electrolytes from renewable plant material.

Key words: analytical chemistry, alizarin, extraction, electrochemistry, electroactivity, redox flow battery.

Введение

Проточная редокс-батарея (ПРБ) - устройство, используемое для хранения энергии в виде химических связей, с использованием жидких электролитов. Их обобщённая структура состоит из мембранно-электродного блока (МЭБ), в котором протекают редокс-реакции из двух емкостей с электролитом -католитом и анолитом, подающимися в катодную и анодную полуячейку МЭБ, соответственно (рис.1).

КОНТАКТЫ

АНО.ШГГ

ПОРИСТЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ

КАТОШГГ

НАСОС

Рис. 1. Схематическое изображение проточной батареи

Проточные батареи обладают способностью независимо варьировать мощность и ёмкость ячейки. Эта особенность позволяет им быть одним из главных кандидатом для создания эффективных и выгодных электрохимических накопителей энергии, особенно большого масштаба. Внедрение подобных аккумуляторов особенно актуально в контексте повсеместной интеграции в электросети источников возобновляемой энергии. На текущий момент

технологии проточных редокс-батарей до сих пор находятся в стадии бурного развития, и новые исследования публикуются со всё более высокими показателями эффективности и мощности [1].

На сегодняшний день в качестве электролитов для ПРБ используется множество различных составов, как органических, так и неорганических [2]. Ниже приведены некоторые из редокс-пар, наиболее часто встречаемые в литературе: Бе2+/Ре3+ Бг0/Бг-ТЮН3+/Л3+ Си2+/Си+

уо2+/УО2+ ; У+2/У+3

АОБЗШАОБЗ ARSH2/ARS

В данной работе будет рассмотрено получение органических электролитов на основе производных антрахинона, как в последних двух пунктах списка выше. Уже известно множество различных сульфопроизводных антрахинона и его гомологов [3]. Однако, все эти соединения получены синтетическим путём из продуктов нефтепереработки и простых углеводородов. Целью данной работы является демонстрация возможности использования «зелёного» подхода для получениях электроактивных компонентов электролитов.

Экспериментальная часть

Целевыми компонентами в процессе работы стали растворимые производные антрахинона, играющие важную роль в цепи переноса электронов в растениях: руберитиновая кислота, примеверозид люцидина, антрагаллол-3-рутинозид и т.д. (рис.2).

3. Ирнмеверозид лкшилиня

Рис. 2. Химическая структура гликозидов антрахинона, содержащиеся в коре R. Frangula

Электроактивные свойства производного одного из таких веществ - красителя Ализарин Красный S (ARS)

хорошо известны, он является 3-сульфоновой кислотой ализарина [4].

В качестве исходного сырья было взято 7.5 грамм высушенной и измельчённой коры Rhamnus Frangula (Крушина ломкая) [5]. Порошок коры подвергался экстракции в дистиллированной воде при t=30C° на протяжении 8 часов. После этого смесь была отфильтрована на фильтре с диаметром пор 0.1 мкм. Из полученного раствора гликозидов красного цвета затем было отобрано 2 мл для анализа в трёхэлектродной ячейке с фоновым раствором 0.1М NaCl. В качестве рабочего электрода использовался стеклоуглерод (диск, диаметр 3 мм), сравнения - Ag/AgCl (3.5M KCL), противоэлектрод - платина. Полученные циклические вольтамперограммы (ЦВА) показаны на рисунке 3.

Рис. 3. ЦВА водного экстракта R. Frangula (WERF). Сопутствующий электролит •

сравнении)

0.1М NaCl (100 мВ/с в

На графике ЦВА видны две пары квазиобратимых редокс-пиков в анодной области (потенциал полуволны около -0.6 и -0.65 В). В пересчёте на шкалу стандартного водородного электрода (СВЭ) это соответствует -0.4 - -0.45 В. Для сравнения стандартный потенциал редокс пары AQDS/AQDSH2 составляет -0.22 В. Поэтому с точки зрения напряжения ячейки использование водного экстракта Я. Frangula в качестве неголита ПРБ выглядит даже более выгодным (при выполнении других необходимых условий - высокой растворимости электроактивного компонента, хорошей кинетики протекающих редокс-реакций и редокс-стабильности).

Дополнительно были проведены измерения методом квадратноволновой вольтамперометрии (КВВ). Их результаты показаны на рисунке 4 и дополнительно подтверждают наличие в полученном экстракте как минимум двух редокс-пар.

Рис. 4. Результаты КВВ для водного экстракта Я. Frangula. Сопутствующий электролит - 0.1М МаС1. Частота - 5 Гц, Шаг по потенциалу - 2.5 мВ, Амплитуда - 5 мВ.

Заключение

Полученные данные дают основания полагать, что R. Frangula и родственные растения могут служить возобновляемыми источниками электроактивных компонентов безопасного электролита для органических ПРБ. Были выделены таким образом гликозиды антрахинонов (рис.5).

Рис. 5. Сульфирование Ализарина в олеуме для получения ARS

В работе показано, что полученные вещества можно гидролизовать и затем сульфировать в олеуме для получения соединений с повышенной растворимостью и/или кинетикой протекающих редокс-реакций.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-73-00290.

Список литературы

1. Eduardo Sanchez-Diez et al. Redox flow batteries: Status and perspective towards sustainable stationary energy storage // Journal of Power Sources. -2021. -V.481. -P. 228804.

2. Feng P., Wang Q. Redox Species of Redox Flow Batteries: A Review // Molecules. -2015. -V. 20. -№ 11. -P. 20499-20517.

3. Gerhardt M. et al. Anthraquinone Derivatives in Aqueous Flow Batteries // Advanced Energy Materials. -2016. -P.7.

4. Khor Ai M., Mohd R., Feng C.K., Leung, P.K. Electrochemical Studies on Alizarin Red S as Negolyte for Redox Flow Battery: a Preliminary Study // International Journal of Engineering and Technology. -2018. -V.7. -P.375-377.

5. Renato G., Expedito S., Noboru H., Celso N., Marcos B., Wilker C. An optimized protocol for anthraquinones isolation from Rhamnus frangula L. // Natural Product Research. -2017. -V.32. -P. 1-4.

о

OH

о

OH

OH

H2SÜ4 + SO3

t = 150