1,3,5-трифенилбензол и коранулен как электронный Рецепторы для лития сольватированного электрона Solutions
10 октября 2016 г.
Авторы сообщают об исследованиях проводимости, проведенных на растворах сольватированных электронов лития (LiSES), приготовленных с использованием 1,3,5-трифенилбензола (TPB) и кораннулена в качестве электронных рецепторов.
Общая цель этого эксперимента состоит в том, чтобы показать метод получения LISES и измерить некоторые из их физико-химических свойств с учетом их применения в аккумуляторных батареях. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области физической химии о получении и физических свойствах растворов сульфатированного аргона лития. Основное преимущество этой методики заключается в том, что она обеспечивает инертный материал в жидком состоянии при температуре окружающей среды.
Последствия этой технологии распространяются на следующее поколение многоразовых литиевых батарей для электромобилей. В настоящее время некоторые ионные батареи требуют ночной зарядки, в то время как многоразовые батареи можно зарядить за десять минут. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как шаги по изготовлению LISES должны быть точно повторены для достижения наилучших результатов и предотвращения потенциальных опасностей.
Синтез продемонстрирует Андрей Лунчев, аспирант в группе профессора Эндрю Гримсдейла. Поместите четыре грамма ацетофенона на 100 миллилитров абсолютного этанола в тройную горлышковую круглодонную колбу объемом 250 миллилитров, оснащенную магнитной мешалкой, дефлегматором, капельной воронкой, газовым барботером, входом азота и термометром. Поместите реакционную смесь в атмосферу азота.
Затем остудите смесь до нуля градусов по Цельсию. С помощью капельной воронки добавьте в смесь 2,1 эквивалента тетрахлорида кремния в одной порции. Следите за реакцией смеси в течение десяти минут, в течение которых образуется газообразный хлористый водород.
Затем нагрейте смесь до 40 градусов Цельсия во время помешивания и продолжайте помешивать в течение 20 часов. Затем охладите реакционную смесь до комнатной температуры и добавьте ледяную воду в соотношении 1:1 по массе с реакционной смесью. Дважды экстрагируйте дихлорметаном.
Соедините экстракты и промойте их 100 миллилитрами насыщенного раствора хлорида натрия. Затем высушите смесь безводного сульфата магния. Отфильтруйте смесь для удаления сульфата магния и сконцентрируйте фильтрат с помощью ротационного испарителя.
При перекристаллизации из этанола получается 1, 3, 5-трифенлибензол. Выполнять все приготовления растворов сульфатированных электронов лития в бардачке, заполненном аргоном. В первую очередь поместите по 12 миллилитров тетрагидрофурана в каждый из девяти стеклянных флаконов.
Затем растворите по шесть миллимоль TPB в каждом из четырех флаконов с образованием 0,5-молярного раствора. В каждый из оставшихся пяти флаконов добавьте по 0,6 миллимоля кораннулена с образованием 0,05 молярного раствора. Чтобы приготовить LISES на основе TPB с молярным соотношением лития и TPB от одного до четырех, добавьте шесть, 12, 18 и 24 миллимоля металлического лития в четыре флакона раствора TPB. Затем, чтобы приготовить LISES на основе ядра с молярным соотношением лития от одного до пяти, добавьте 0,6, 1,2, 1,8, 2,4 и 3 миллимоля металлического лития в пять флаконов раствора ядра.
Добавьте к каждому флакону магнитную мешалку с покрытием из боросиликатного стекла, закройте флаконы и запечатайте флаконы лабораторной пленкой. Перемешайте все смеси в течение ночи, чтобы полностью растворить металлический литий. Выполните процедуру в перчаточном ящике с откалиброванным кондуктометром, способным измерять температуру раствора Непосредственно перед измерением проводимости образцов LISES извлеките каждый плотно закрытый образец из перчаточного ящика.
Оберните флакон дополнительным слоем лабораторной пленки и охладите образец примерно до 10 градусов Цельсия. Не допускайте замерзания образца. Охлажденный образец переложите обратно в перчаточный ящик, продув антикамеру не менее пяти раз, чтобы исключить попадание влаги в конденсат.
Записывайте измерения электропроводности для каждого образца до тех пор, пока образец не вернется к комнатной температуре. Контроль погружения зонда в раствор на всем протяжении. Построение графика проводимости LISES на основе кораннулена в зависимости от температуры показывает линейную зависимость с отрицательным наклоном, что указывает на поведение металлической проводимости.
Используя эту зависимость, температурный коэффициент и проводимость при температуре окружающей среды могут быть определены для каждого тестируемого молярного отношения лития и кораннулена. Проводимость LISES на основе 135-трифенлибензола увеличивается при увеличении отношения лития к TPB от одного до двух. Затем проводимость уменьшается по мере того, как отношение продолжает увеличиваться.
Ранее изученный LISES на основе нафталина и бифенила демонстрирует сходное поведение металлической проводимости и изменения проводимости при изменении молярных соотношений. После освоения этой техники ее можно выполнить за один час, если она выполнена правильно. Что ж, при попытке выполнить эту процедуру, важно помнить о необходимости всегда готовить LISES в контролируемой, сухой среде, например, в бардачке, заполненном аргоном, и никогда не подвергать LISES воздействию окружающей среды.
После этой процедуры могут быть выполнены другие методы, такие как подготовка жидкого катода, чтобы ответить на дополнительные вопросы о концепции жидкого анода и жидкого катодного литиевого элемента.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Данное исследование посвящено приготовлению растворов сольватированных электронов лития (LiSES) и их физико-химическим свойствам, которые имеют решающее значение для применения в перезаряжаемых аккумуляторах. Описанный метод позволяет получить материал в инертном жидком состоянии при комнатной температуре, что потенциально может произвести революцию в технологии аккумуляторов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Физическая химия
- Технологии аккумуляторных батарей
- Электрохимия
Теоретические сведения
- LiSES подготавливают с использованием 1,3,5-трифенилбензола (TPB) и коранулена в качестве электронных акцепторов.
- В исследовании рассматриваются ключевые вопросы подготовки и свойств литий-сульфатных растворов аргона.
- Современные ионные аккумуляторы часто требуют длительного времени зарядки, что подчеркивает необходимость в усовершенствованных технологиях.
- Данный метод направлен на создание решений для более быстрой зарядки электромобилей.
Цель исследования
- Продемонстрировать метод приготовления LiSES.
- Измерить физико-химические свойства LiSES.
- Изучить возможности их применения в перезаряжаемых аккумуляторах следующего поколения.
Используемые методы
- Приготовление растворов сольватированных электронов лития (LiSES).
- Исследование проводимости для оценки физических свойств.
- Визуальные демонстрации для обеспечения точного воспроизведения методов.
- Анализ потенциальных опасностей, связанных с процессом приготовления.
Основные результаты
- Успешное получение LiSES с заданными физическими свойствами.
- Продемонстрирована возможность использования LiSES в перезаряжаемых аккумуляторах.
- Выделены преимущества метода, обеспечивающего инертное жидкое состояние при температуре окружающей среды.
- Показан потенциал значительного сокращения времени зарядки в аккумуляторных технологиях.
Выводы
- В исследовании представлен надежный метод приготовления LiSES.
- LiSES имеют перспективные области применения при разработке аккумуляторов с более быстрой зарядкой.
- Для оптимизации свойств и областей применения LiSES необходимы дальнейшие исследования.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
В данной работе представлен метод приготовления растворов сольватированного электрона лития (LiSES) с использованием полиароматических углеводородов в качестве акцепторов электронов, что открывает путь к изучению материалов для жидких анодов в перезаряжаемых батареях следующего поколения. Возможность регулировать электропроводность путем изменения соотношения лития к акцептору дает механизм для оценки свойств переноса электронов, значимых для систем хранения энергии. Такие модельные системы способствуют снижению рисков на ранних этапах разработки новых химических составов аккумуляторов, обеспечивая контролируемую и воспроизводимую оценку поведения сольватированных электронов в заданных условиях.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать механизмы сольватации и стабилизации электронов в органических средах, способствуя фундаментальному пониманию редокс-активных соединений, важных для разработки электролитов аккумуляторных батарей.
- Практическая ценность: предоставляет воспроизводимый протокол генерации и работы с чувствительными к воздуху LiSES в перчаточном боксе, обеспечивая единообразную подготовку образцов для последующей оценки их свойств.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: способствует систематическому скринингу лигандов акцепторов электронов (например, TPB в сравнении с коранулененом) путем корреляции молекулярной структуры с тенденциями проводимости и температурной зависимостью.
- Практическая ценность: позволяет получать количественные показатели проводимости в растворе, что дает возможность сравнивать металлическое и неметаллическое поведение при различных условиях загрузки лития.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: обеспечивает трансляционную преемственность за счет моделирования сред с жидким анодом, что позволяет экстраполировать результаты на конфигурации литиевых аккумуляторов с полным циклом, включающие жидкие катоды.
- Практическая ценность: создает платформу для оценки стабильности и проводимости сольватированных электронов при контролируемых температурных параметрах и переменных состава, что служит основой для стратегий разработки рецептур электролитов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод относится к этапу поиска и разработки материалов для аккумуляторов, когда понимание фундаментальных свойств сольватации и переноса электронов позволяет осуществлять рациональный дизайн электролитов и электродных материалов перед созданием прототипов.
- Открытия в биологии: Неприменимо; данная работа посвящена физической химии сольватированных электронов в неводных средах для применения в системах хранения энергии.
- Скрининг: Обеспечивает возможность лиганд-ориентированного скрининга полиароматических углеводородов в качестве акцепторов электронов с помощью измерений проводимости при различных степенях загрузки лития.
- Аналитика: Предоставляет температурно-зависимые данные о проводимости, которые позволяют отличить металлический (линейный отрицательный наклон) от неметаллического (немонотонного) характера переноса электронов.
- Трансляционные исследования: Способствует переходу от характеристики полуячеек LiSES к концепциям полноценных жидкостных литиевых ячеек с анодом и катодом путем определения рабочих диапазонов стабильности сольватированных электронов.
- Корпоративное повторное использование: Протокол подготовки в перчаточном боксе и измерения проводимости может быть обобщен для других систем акцепторов электронов, что способствует повторному использованию платформы в различных проектах по созданию систем хранения энергии на основе лития.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: обеспечивает понимание механизмов сольватации и транспорта электронов, снижая неопределенность при прогнозировании характеристик электролитов в литий-металлических аккумуляторах.
- Операционная ценность: стандартизирует подготовку и измерение чувствительных к воздуху LiSES, повышая воспроизводимость и безопасность при работе с пирофорными растворами лития.
- Стратегическая ценность: ускоряет принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки при скрининге электролитов, предоставляя ранние количественные показатели электронной проводимости и структуры сольватации.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять инвестиции с учетом рисков в новые архитектуры электролитов, подтверждая генерацию сольватированных электронов как осуществимый подход к повышению ионной проводимости.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с методами анализа веществ, чувствительных к воздействию воздуха, и эксплуатация перчаточного бокса для предотвращения разложения или опасных реакций с влагой или кислородом.
- Необходимость использования калиброванных кондуктометров, способных проводить измерения при низких температурах в герметичных неводных растворах.
- Требуется стандартизация протоколов приготовления растворов, герметизации и термического уравновешивания между исследовательскими группами для обеспечения сопоставимости данных.
- Адаптация к альтернативным акцепторам электронов может потребовать скрининга растворимости и оптимизации диапазонов загрузки лития во избежание осаждения или побочных реакций.
- Практические ограничения включают чувствительность LiSES к воздуху, что ограничивает проведение анализа инертными средами и затрудняет интеграцию с аналитическими инструментами, работающими в условиях окружающей среды.
