Resumen:
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.
Descripción:
The intermittent and fluctuating nature of renewable energy sources such as wind and solar
energy, highlights the need of the development of energy storage devices capable of modulating
the demand of energy in favor of increasing their application. On the other hand, Redox Flow
Batteries (RFB) represent the most suitable electrochemical devices for large-scale energy storage
applications due to their modular design, scalability and flexible operation. However, most of the
RFBs currently available are based on the use of metallic species as active electrolytes, which are
quite expensive, not very abundant and their extraction or obtaining entails problems associated
with environmental impact. From this, organic redox materials based on quinones rise as alternative
and promising candidates to face these drawbacks due to the important advantages that the use of
these species entails, such as molecular diversity, structural adaptability and natural abundance.
Due to the structural diversity of organic molecules, the discovery of quinones or other redox active
organic molecules for energy storage applications is an open field of research.
In this research project, we present a high-performance computational approach that applied a total
of 132 molecules between quinones and hydroquinones, corresponding to 66 redox pairs, which
were used both for the development of a calibration model, as well as for the molecular screening.
Based on this, a highly precise method was established for the calculation of EºTeó in aqueous
solvent based on ab initio / DFT theoretical calculations with the use of the functional hybrid
B3LYP 6-311 ++ G (d, p). The linear fit achieved in the calibration method (R2 = 0.997) and the
low mean square error observed (0.0142 V) suggest a high level of precision in terms of calculating
EºTeó even higher than many reported computational studies. From the molecular screening, 8
species derived from 1,4-BQ were identified that present an EºTeó value suitable for its application
as negative redox electrolytes or as positive redox electrolytes in RFB and, with a minimum value
of ∆GºSolv (-81 k·J/mol). Within these species, four species were candidates for use as a negative
electrolyte (43, 47, 52 and 53) and four species as a positive electrolyte (31, 32, 41 and 50). From
these results, it is possible to propose the chemical synthesis of an aqueous quinone redox system
from theoretical calculations for its application in redox flow batteries with a cell potential of ≈
0.65 V and with good solubility in aqueous medium.
In addition, from the studies performed by cyclic voltammetry and the calculated electrochemical
parameters, 3,5-diamino-1,2,4-triazole was identified as an organic species with interesting
electrochemical properties for its application in redox flow batteries in alkaline medium, and of XVI
which no evidence is found until the moment of its study as a possible redox electrolyte for energy
storage applications in flow batteries