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Redox-Modulated Host–Guest Complex Realizing Stable Two-Electron Storage Viologen for Flow Battery

小提琴手 水溶液 氧化还原 流动电池 电化学 化学 超分子化学 电子供体 无机化学 光化学 电极 有机化学 分子 物理化学 电解质 催化作用
作者
Yufeng Liu,Xianzhi Yuan,Mingbao Huang,Zhipeng Xiang,Shuzhi Hu,Zhiyong Fu,Xuhong Guo,Zhenxing Liang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:61 (39): 14508-14514 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.2c02272
摘要

Viologen is investigated as the anolyte in pH-neutral aqueous flow batteries. The full utilization of two electrons is essential to achieve a high specific capacity, which is, however, seriously limited by the proton attack of the two-electron reduced viologen. In this work, a redox-modulated host–guest complex strategy is developed to address the above issue by introducing hydroxyethyl-β-CD (HE-β-CD) in the 1-methyl-1′-[3-(trimethylammonio)propyl]-4,4′-bipyridinium trichloride ((MAPVi)Cl3) solution. The oxidation state (MAPVi3+, MAPVi2+) stays in water and is electrochemically active in the redox transition. The two-electron reduced state (MAPVi+) turns hydrophobic and self-adapts in HE-β-CD's cavity via a host–guest interaction; therefore, MAPVi+ can be well-protected against the proton attack. To demonstrate the effect, an aqueous flow battery is tested with (MAPVi)Cl3 as the anolyte and 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxy derivative as the catholyte. A 500 cycle test shows that the capacity decay rate is 0.22% per cycle for a mere 0.10 M (MAPVi)Cl3 and 0.05% per cycle for 0.10 M (MAPVi)Cl3 + HE-β-CD. A higher concentration of 0.30 M (MAPVi)Cl3 + HE-β-CD delivers a specific capacity of 14.1 Ah L–1 and an energy efficiency of 82% at 40 mA cm–2 with superior cycling stability over 100 cycles. This work provides a facile supramolecular chemistry strategy for stabilizing electroactive compounds in aqueous flow batteries.
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