UV-Vis spectrophotometry of quinone flow battery electrolyte for in situ monitoring and improved electrochemical modeling of potential and quinhydrone formation

文献情報

出版日 2017-11-15
DOI 10.1039/C7CP05881K
インパクトファクター 3.676
著者

Liuchuan Tong, Qing Chen, Andrew A. Wong, Rafael Gómez-Bombarelli, Alán Aspuru-Guzik, Roy G. Gordon, Michael J. Aziz


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要旨

Quinone-based aqueous flow batteries provide a potential opportunity for large-scale, low-cost energy storage due to their composition from earth abundant elements, high aqueous solubility, reversible redox kinetics and their chemical tunability such as reduction potential. In an operating flow battery utilizing 9,10-anthraquinone-2,7-disulfonic acid, the aggregation of an oxidized quinone and a reduced hydroquinone to form a quinhydrone dimer causes significant variations from ideal solution behavior and of optical absorption from the Beer–Lambert law. We utilize in situ UV-Vis spectrophotometry to establish (a), quinone, hydroquinone and quinhydrone molar attenuation profiles and (b), an equilibrium constant for formation of the quinhydrone dimer (KQHQ) ∼ 80 M−1. We use the molar optical attenuation profiles to identify the total molecular concentration and state of charge at arbitrary mixtures of quinone and hydroquinone. We report density functional theory calculations to support the quinhydrone UV-Vis measurements and to provide insight into the dimerization conformations. We instrument a quinone–bromine flow battery with a Pd–H reference electrode in order to demonstrate how complexation in both the negative (quinone) and positive (bromine) electrolytes directly impacts measured half-cell and full-cell voltages. This work shows how accounting for electrolyte complexation improves the accuracy of electrochemical modeling of flow battery electrolytes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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