Screening of metal complexes and organic solvents using the COSMOSAC-LANL model to enhance the energy density in a non-aqueous redox flow cell: an insight into the solubility

文献情報

出版日 2021-09-15
DOI 10.1039/D1CP02591K
インパクトファクター 3.676
著者

Anwesa Karmakar, Rangachary Mukundan, Ping Yang, Enrique R. Batista


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要旨

In this paper, we have proposed a first-principles methodology to screen transition metal complexes against a particular organic solvent and organic solvents against a particular transition metal complex based on their solubility information without the knowledge of heat of fusion and melting temperature. The energy density of a non-aqueous redox flow cell directly depends on the solubility of the redox active species in the non-aqueous medium. We have used the “COSMOSAC-LANL” activity coefficient model (A. Karmakar, R. Mukundan, P. Yang and E. R. Batista, RSC Adv., 2019, 18506–18526; A. Karmakar and R. Mukundan, Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 19667–19685) which is based on first-principles COSMO calculations where the microscopic information is passed to the macroscopic world via a dielectric continuum solvation model, followed by a post-statistical thermodynamic treatment of the self-consistent properties of the solute particle to calculate the solubility. To model the activity coefficient at infinite dilution for the binary mixtures, a 3-suffix Margules (3sM) function is introduced for the quantitative estimation of the asymmetric interactions and, for the combinatorial term, the Staverman–Guggenheim (SG) form is used. The new activity coefficient model is separately called the “LANL” activity coefficient model. The metal complex and the organic solvent have been treated as a simple binary mixture. The present model has been applied to a set of 14 different organic solvents and 16 different transition metal complexes. Using the new LANL activity coefficient model in combination with the ADF-COSMOSAC-2013 model, we have shown how one can improve the solubility of a transition metal complex in an organic solvent. We applied our model to screen 84 binary mixtures to predict the compatible pair of redox active species and organic solvent to increase the energy density. The solvation mechanism of the transition metal complexes in the organic solvents was obtained using the new model. The results have been compared with the experimental and theoretical results where they are available.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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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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