Steric hindrance shielding viologen against alkali attack in realizing ultrastable aqueous flow batteries

位阻效应 碱金属 水溶液 小提琴手 化学 氧化还原 分子 亲核细胞 光化学 氢氧化物 无机化学 有机化学 催化作用
作者
Liwen Wang,Kai Wan,Xianzhi Yuan,Zhipeng Xiang,Zhiyong Fu,Zhenxing Liang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:97: 529-534 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.06.016
摘要

Viologens known as a kind of promising negolyte materials for aqueous organic redox flow batteries, face a critical stability challenge due to the SN2 nucleophilic attack by hydroxide ions (OH-) during the battery cycling. In this work, a N-cyclic quaternary ammonium-grafted viologen molecule, viz. 1,1'-bis(4,4'-dimethylpiperidiniumyl)-4,4'-bipyridinium tetrachloride ((DBPPy)Cl4), is developed by the molecular engineering strategy. The obtained (DBPPy)Cl4 molecule shows a decent solubility of 1.84 M and a redox potential of −0.52 V vs. Ag/AgCl. Experimental and theoretical results reveal that the grafted N-cyclic quaternary ammonium groups act as the steric hindrance to prevent nucleophilic attack by OH-, increasing the alkali resistance of the electroactive molecule. The symmetrical battery with 0.50 M (DBPPy)Cl4 shows negligible decay during the 13-day cycling test. As demonstration, the flow battery utilizing 1.0 M (DBPPy)Cl4 as the negolyte and 1-(1-oxyl-2,2',6,6'-tetramethylpiperidin-4-yl)-1'-(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4'-bipyridinium trichloride as the posolyte exhibits a high capacity retention rate of 99.99% per cycle at 60 mA cm-2.
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