Исследователи из Грацского технического университета разработали метод превращения ароматного ванилина в экологичный электролит для редокс-аккумулятора.
Штефан Шпирк из Института биопродуктов и бумажных технологий утверждает, что он и его коллеги совершили прорыв в области экологически устойчивых технологий хранения электроэнергии. Ключевой компонент редокс-аккумуляторов – жидкий электролит, как правило, состоит из раствора солей тяжёлых и редкоземельных металлов. Австрийские исследователи нашли способ сделать проточные батареи менее вредными для окружающей среды, заменив электролит производным ванилина – важного ингредиента знаменитых австрийских круассанов.
В настоящее время существует несколько способов синтеза ванилина, однако австрийские исследователи обратились к выделению вещества из лигнина – компонента древесины, являющейся побочным продуктом целлюлозно-бумажной промышленности. Ранее международное научное сообщество уже доказало возможность использования лигнина в качестве основы для экологичных электролитов. Однако Шпирк и его команда пошли дальше, чтобы максимально упростить процесс производства и эксплуатации альтернативных редокс-аккумуляторов. По словам Стефана Шпирка, такой аккумулятор настолько прост и безопасен, что его можно изготовить в домашних условиях из подручных средств. В ходе исследовательской деятельности учёные могли бы использовать продукт, доступный в любом супермаркете, но они решили, что простая химическая реакция для выделения ванилина из лигнина поможет решить ещё одну проблему – необходимость утилизации огромных отходов целлюлозно-бумажной промышленности.
Редокс-технологии являются важным инструментом в освоении электроэнергии из возобновляемых источников, поскольку они позволяют хранить большие объёмы энергии. Сегодня проточные батареи большой мощности часто сочетаются с солнечными и ветряными электростанциями. Их главное преимущество состоит в возможности изменения характеристик за счёт адаптации отдельных компонентов. К примеру, чтобы повысить ёмкость такой аккумуляторной батареи, достаточно добавить больше вещества, рождающего электроэнергию – электролита. При этом модуль, который отвечает за преобразование энергии электролита в электроэнергию, может оставаться тем же. Редокс-аккумуляторы очень быстро реагируют на изменения нагрузки и не боятся перегрузок, что делает их идеальным вариантом источника бесперебойного питания. В каком-то смысле их можно считать вечными: крайне маловероятно, что из строя выйдут сразу все компоненты аккумулятора, а с периодической заменой запчастей он сможет продолжать работу снова и снова.
В процессе прокачки электролита через мембрану в преобразующем модуле между этим веществом и электродами происходит окислительно-восстановительная реакция, которая и генерирует электрический ток. При помощи простой химической реакции исследователи синтезировали из ванилина редокс-активное вещество 2-метокси-1,4-гидрохинон (MHQ). В качестве второго электролита учёные применяли парабензохин (pBQ), который также возможно синтезировать из экологических источников, например, из хинной кислоты, содержащейся в коре хины, кофейных зёрнах и т. п. При реакции с pBQ электролит MHQ обратимо преобразовался в 2-метокси-1,4-хинон (MQ). В лабораторных испытаниях редокс-аккумуляторная батарея, изготовленная из ванилина, имела стабильный КПД на уровне 97-99% даже после 250 циклов зарядки/разрядки, что соответствовало 8 месяцам беспрерывной эксплуатации. Согласно расчётам исследователей, плотность энергии редокс-батареи из ванилина составила 27,1 Вт·ч/фунт (59,8 Вт·ч/кг).
По мнению Шпирка, синтезированные из ванилина вещества MQ/MHQ могут стать первой экологичной редокс-парой, доступной в глобальных масштабах. В дальнейшем исследователи планируют протестировать аккумулятор из ванилина в промышленных условиях. К примеру, Грацский технический университет уже ведёт переговоры с Mondi AG – одной из крупнейших компаний целлюлозно-бумажной индустрии – с целью заполучить постоянного поставщика лигнина. Следующим шагом станет сотрудничество с компаний-производителем электроэнергии для тестового внедрения «ванильных» редокс-аккумуляторов в их инфраструктуру.
Источник: 2‐Methoxyhydroquinone from Vanillin for Aqueous Redox‐Flow Batteries