Derivados de quinonas como sistemas electroactivos para su aplicación en baterías de flujo redox

Abstract

La naturaleza intermitente y fluctuante de las fuentes de energía renovables como la energía eólica y solar, resaltan como una necesidad apremiante el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía capaces de modular los picos de generación y demanda de energía a favor de integrar en mayor medida la aplicación de las energías renovables. Por su parte, las Baterías de Flujo Redox (BFR) representan los dispositivos electroquímicos más adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala debido a su diseño modular, escalabilidad y operación flexible. Sin embargo, la mayoría de las BFR disponibles actualmente se basan en la utilización de especies metálicas como electrolitos activos, los cuales son bastante costosos, poco abundantes y su extracción u obtención conllevan problemas asociados con la contaminación ambiental. A partir de ello, los materiales orgánicos redox basados en quinonas se alzan como candidatos alternativos y prometedores para hacer frente a estos inconvenientes debido a las importantes ventajas que conlleva el uso de estas especies como lo son la diversidad molecular, la adaptabilidad estructural y la abundancia natural. Debido al diversidad estructural de las moléculas orgánicas, el descubrimiento de quinonas u otras moléculas orgánicas activas redox para aplicaciones de almacenamiento de energía es un campo abierto de investigación. En el presente proyecto de investigación, presentamos un enfoque computacional de alto rendimiento que aplicamos a un total de 132 moléculas entre quinonas e hidroquinonas, correspondientes a 66 pares redox, las cuales se emplearon tanto para el desarrollo de un modelo de calibración, así como para el cribado molecular. A partir de ello se estableció un método altamente preciso para el cálculo del EºTeó en solvente acuoso basado en cálculos teóricos ab initio/DFT con el empleo del funcional híbrido B3LYP 6-311++G(d,p). El ajuste lineal alcanzado en el método de calibración (R2 =0.997) y el bajo error cuadrático medio observado (0.0142 V) sugieren un gran nivel de precisión en cuanto al cálculo de EºTeó incluso superior a muchos estudios computacionales reportados. Del cribado molecular se identificaron 8 especies derivadas de la 1,4- BQ que cumplieron con un valor de EºTeó adecuado para su aplicación como electrolitos redox negativos o como electrolitos redox positivos en una BFR y, con un valor mínimo de ∆GºSolv (-81 k·J/mol). Dentro de estas especies, cuatro especies resultaron candidatas para su uso como electrolito negativo (43, 47, 52 y 53) y cuatro especies como electrolito positivo (31, 32, 41 y 50). De estos resultados, es posible proponer la síntesis química de un sistema redox acuoso de quinonas a partir de cálculos teóricos para su aplicación en baterías de flujo redox con un potencial de celda de ≈ 0.65 V y con buena solubilidad en medio acuoso. XIV Además, a partir de los estudios realizados por voltamperometría cíclica y de los parámetros electroquímicos calculados, se identificó al 3,5-diamino-1,2,4-triazol como una especie orgánica con propiedades electroquímicas interesantes para su aplicación en baterías de flujo redox en medio alcalino, y de la cual no se encuentra evidencia hasta el momento de su estudio como posible electrólito redox para aplicaciones de almacenamiento de energía en baterías de flujo.