Om hele gemeenschappen van schone energie te voorzien, zoals zonne- en windenergie, een betrouwbaar back-up opslagsysteem is nodig om energie te leveren als de zon niet schijnt en de wind niet waait.

Een mogelijkheid is om overtollige zonne- en windenergie te gebruiken om oplossingen van chemicaliën op te laden die vervolgens kunnen worden opgeslagen voor gebruik wanneer zon en wind schaars zijn. In die tijd, de chemische oplossingen van tegengestelde lading kunnen over vaste elektroden worden gepompt, waardoor een elektronenuitwisseling ontstaat die het elektriciteitsnet van stroom voorziet.

De sleutel tot deze technologie, een redoxflow-batterij genoemd, is het vinden van chemicaliën die niet alleen voldoende lading kunnen "dragen", maar ook worden opgeslagen zonder degradatie voor lange periodes, waardoor de energieopwekking wordt gemaximaliseerd en de kosten voor het bijvullen van het systeem worden geminimaliseerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester, werken met collega's aan de Universiteit van Buffalo, geloven dat ze een veelbelovende verbinding hebben gevonden die het landschap van energieopslag zou kunnen transformeren.

In een paper gepubliceerd in Chemische Wetenschappen , een open access tijdschrift van de Royal Society of Chemistry, onderzoekers in het lab van Ellen Matson, assistent-professor scheikunde, beschrijf het wijzigen van een metaaloxidecluster, die veelbelovende elektroactieve eigenschappen heeft, zodat het bijna twee keer zo effectief is als het ongewijzigde cluster voor elektrochemische energieopslag in een redoxflow-batterij.

"Energieopslagtoepassingen met polyoxometalaten zijn vrij zeldzaam in de literatuur, " zegt hoofdauteur Lauren VanGelder, een derdejaars Ph.D. student in het laboratorium van Matson. "Er zijn misschien een of twee voorbeelden vóór de onze, en ze hebben het potentieel van deze systemen niet echt gemaximaliseerd."

"Dit is echt een onaangeboord gebied van moleculaire ontwikkeling, ", voegt Matson toe.

Het cluster werd voor het eerst ontwikkeld in het laboratorium van de Duitse chemicus Johann Spandl, en bestudeerd voor zijn magnetische eigenschappen. Tests uitgevoerd door VanGelder toonden aan dat de verbinding lading kon opslaan in een redoxflow-batterij, "maar was niet zo stabiel als we hadden gehoopt."

Echter, door te maken wat Matson beschrijft als "een eenvoudige moleculaire modificatie" - het vervangen van de van methanol afgeleide methoxidegroepen van de verbinding door op ethanol gebaseerde ethoxideliganden - was het team in staat om het potentiële venster uit te breiden waarin het cluster stabiel was, verdubbeling van de hoeveelheid elektrische energie die in de batterij kan worden opgeslagen.

Matson zegt:"Wat echt cool is aan dit werk, is de manier waarop we de ethoxide- en methoxideclusters kunnen genereren door methanol en ethanol te gebruiken. Beide reagentia zijn goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar en veilig in gebruik. De metaal- en zuurstofatomen waaruit de rest van het cluster bestaat, zijn elementen die overvloedig aanwezig zijn in de aarde. De rechttoe rechtaan, efficiënte synthese van dit systeem is een totaal nieuwe richting in de ontwikkeling van ladingdragers die, we geloven, zal een nieuwe standaard zetten in het veld."

De elektrochemische tests die voor dit onderzoek nodig waren, waren apparatuur en technieken die niet eerder in het Matson-lab werden gebruikt. Vandaar de samenwerking met Timothy Cook, assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Buffalo, en Anjula Kosswattaarachchi, een vierdejaars student in het Cook lab. VanGelder bezocht het Cooklab voor training over testapparatuur, en op zijn beurt hielp Kosswattaarachchi met het synthetiseren van verbindingen.

De twee groepen hebben een subsidie ​​van de National Science Foundation aangevraagd als onderdeel van een voortdurende samenwerking om de clusters verder te verfijnen voor gebruik in commerciële redoxflow-batterijen.

Matson benadrukte de "cruciale rol" van VanGelder, die de eerste tests en experimenten op de clusters uitvoerde terwijl Matson met zwangerschapsverlof was. "Als derdejaarsstudent ze heeft fantastisch werk geleverd door dit project te starten. Ze heeft een belangrijke rol gespeeld bij het aansturen van deze onderzoeksinspanningen in het lab, ' zegt Matson.