Diese Arbeit wurde von der Joint Center for Energy Storage Forschung (JCESR), ein Energy Innovation Hub gefördert durch das US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences unterstützt. Die Autoren erkennen auch Journal of Materials Chemistry A (a Royal Society of Chemistry Zeitschrift) für ursprünglich diese Forschung zu veröffentlichen ( <a href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b">http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b</a> ). PNNL ist ein Multi-Programm national von Battelle betriebenen Labor für DOE unter Vertrag DE-AC05-76RL01830.

Hinweis: Die All Lösungszubereitungen, Cyclovoltammetrie (CV) Tests und Durchflusszelle , Montage und Tests wurden in einem mit Argon gefüllten Glove - Box mit Wasser und O 2 Ebenen weniger als 1 ppm durchgeführt. 1. Elektro Auswertungen von PTIO Durchflusszellen <ol><li> CV - Test <ol><li> Polnisch mit einem Glaskohlenstoffelektrode mit 0,05 um Gamma-Aluminiumoxidpulver, spülen Sie es mit entsalztem Wasser, steckte es in unter Vakuum bei Raumtemperatur über Nacht, und gibt sie in eine Glove-Box. </li><li> Auflösen von Silbernitrat (8,5 mg) mit MeCN (5 ml) in dem Handschuhfach, das heißt 10 mM AgNO 3. Fügen Sie die Lösung in das Glasrohr aus einer Silber / Silbernitrat-Referenzelektrode. </li><li> Montieren Sie den glasigen Kohlenstoff-Arbeitselektrode, eine Graphit Filzstreifen Gegenelektrode und der Silber / Silbernitrat-Referenzelektrode auf einem 25 ml-Dreihalsbirnenförmigen Kolben. </li><li> Auflösen PTIO (52 mg) und Tetrabutylammoniumchlorid hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) in MeCN (1,10 g), das heißt 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Fügen Sie die Lösung in den Kolben die Spitzen der drei Elektroden unterzutauchen. </li><li> Die Elektroden an einer elektrochemischen Workstation. Messen Sie die CV-Kurven im Spannungsbereich von -1.75-0.75 V mit einer Abtastrate von 100 mV / s. Bestimmen Sie die theoretischen Zellenspannung der PTIO-Flow-Batterie durch die mögliche Lücke zwischen den beiden Redoxpaare. HINWEIS: Es sollte beachtet werden , dass die Ag / Ag + Referenzelektrodenkonfiguration ist eine Pseudo-Referenzelektrode durch seine Natur. Als Ergebnis könnte Redoxpeaks Verschiebung bei Langzeit CV-Messungen. Dennoch hat eine solche Verschiebung normalerweise einen fahrlässigen Einfluss auf die Spannungslücke zwischen Redox-Paare, und würde nicht die Zellspannungswert beeinflussen. </li></ol></li><li> Durchflußzellenanordnung <ol><li> Schneiden die Graphitfilze auf einen Bereich von 1 x 10 cm 2 unter Verwendung einer Rasierklinge. Ähnlich schneiden, eine poröse Septemberarator auf einen Bereich von 3 x 12 cm 2. </li><li> Trocknen Sie die Flow-Batterie Teile (Zellkompartimente, Schläuche, 5 ml Glasfläschchen, Graphitfilze und einen porösen Separator) in einem Vakuumofen bei 70 ° C über Nacht, so dass sie in das Handschuhfach zu verschieben, und abkühlen auf die Umgebungstemperatur. </li><li> Montieren Sie die Durchflusszelle Teile in der Größenordnung von einer Endplatte, eine Kupferplatte Stromkollektor, eine halbe Zelle, ein Graphitfilz, eine Dichtung, eine porösen Separator, ein Graphit-Filz, eine Halbzelle, eine Kupferplatte Stromabnehmer und ein Endplatte. Befestigen Sie die Baugruppe mit acht Gewindebolzen gegen die beiden Endplatten mit einem Drehmomentschlüssel voreingestellt bei 125 Zoll Pfund. Schließen Sie die Elektrolytfluss Schläuche an der Durchflusszelle. Die Zellenanordnung ist in Abbildung 1 dargestellt. </li></ol></li><li> Demonstration von Symmetric Elektro <ol><li> Montieren Sie die Durchflusszelle gemäß Abschnitt 1.2. Auflösen PTIO (10 mg) und TBAPF 6 (3,3 g) mit MeCN (4,4 g) in der glove - Box, dh 5,0 mM PTIO / 1,0 M TBAPF 6. 4 ml der Lösung zu jeder der beiden Glasfläschchen. Pumpen Sie den Elektrolyten fließen unter Verwendung einer Schlauchpumpe mit einer Flussrate von 20 ml / min. </li><li> Verbinden die positiven und negativen Stromabnehmer der Strömungszelle zu dem Batterietester. Laden Sie die Durchflusszelle bei einer konstanten Stromdichte von 5 mA / cm 2 , bis die Spannung erreichte 1,9 V. die Lade stoppen. Pumpen Sie die Elektrolyte in die Glasfläschchen. </li><li> Mischen Sie eine 1 ml positive Elektrolyt mit einem 1 ml negativen Elektrolyten in einem separaten Fläschchen. Jetzt gibt es vier Elektrolyte: das Original, die positive, die negative und die vermischte. </li><li> Messung der Elektronenspinresonanz (ESR) Spektrum der obigen vier Elektrolyten. 25 <ol><li> Mit Rohrdichtungsmittel abzudichten, um eine kleine Menge (~ 10 &amp; mgr; l) der positiven und negativen in einen PTFE-Schlauch (1/16 &quot;OD und 1/32&quot; ID) an beiden Enden, und dann Abdichten in einem Quarz ESR Rohr (4 mm Durchmesser). </li><li> Montieren Sie den ESR Schlauch an einem ESR-Spektrometer ausgestattet mit einem SHQE Resonator mit Mikrowellenfrequenz ~ 9,85 GHz (X-Band). </li><li> Sammeln Sie das ESR-Spektrum für die vier Elektrolyten in Abschnitt 1.3.3. </li></ol></li></ol></li><li> Flow - Zelltest <ol><li> Bauen Sie eine Durchflusszelle folgenden Abschnitt 1.2. </li><li> Auflösen PTIO (1,05 g) und TBAPF 6 (3,50 g) mit MeCN (3,60 g) in das Handschuhfach, das heißt 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. 4 ml der Lösung in jedes Glasfläschchen. Fließen die Elektrolyte bei 20 ml / min. </li><li> Verbinden die positiven und negativen Stromabnehmer der Strömungszelle zu einem elektrochemischen Workstation. Messen der Impedanz der Durchflusszelle in dem Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 Hz in der Leerlaufpotential. Berechne den flächenspezifischen Widerstand (ASR) durch den ohmschen Widerstand Multiplizieren (Hochfrequenzimpedanz) durch den aktiven Bereich der Strömungszelle. </li><li> Schließen Sie die positiven und negativen Strom colLektoren der Strömungszelle zu dem Batterietester. Stellen Sie die Spannung Cutoffs von 0,8 und 2,2 V und den konstanten Strom von 20 mA cm bis -2 im Batteriebetrieb Software. Wiederholt Lade- / Entladestrom der PTIO Flusszelle. </li></ol></li></ol> 2. FTIR-basierten SOC Bestimmung <ol><li> FTIR Machbarkeits Validation <ol><li> Bereiten Sie die folgenden drei Elektrolytlösungen im Handschuhfach: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) mit MeCN (0,30 g), das heißt, 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) und TBAPF 6 (0,25 g) mit MeCN (0,26 g), das heißt 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. </li><li> Messen FTIR für die drei Elektrolytlösungen. <ol><li> Fügen ein kleines Volumen (~ 0,05 ml) jeder Lösung in ein verschließbares FTIR Zelle mit KBr-Fenster und einer Pfadlänge von 0,2 mm. Seal die FTIR-Zelle. </li><li> Setzen Sie die FTIR-Zelle in einen Vorratsbehälter und übertragen sie aus dem Handschuhfach. </li><li> schnell mount die FTIR-Zelle zu einem Spektrometer und sammeln das FTIR-Spektrum. </li></ol></li><li> Bauen Sie eine Durchflusszelle folgenden Abschnitt 1.2. </li><li> Auflösen PTIO (1,05 g) und TBAPF 6 (3,50 g) mit MeCN (3,60 g) in das Handschuhfach, das heißt 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. 4 ml der Lösung in jedes Glasfläschchen. Fließen die Elektrolyte bei 20 ml / min. </li><li> Laden Sie den Durchflusszelle, bis die Spannung 2,2 V die Lade- und stoppen Sie die Pumpe erreicht. </li><li> Messen Sie die FTIR-Spektren sowohl für die positiven und negativen Elektrolyten bzw. nach dem Verfahren in Abschnitt 2.1.2. </li><li> Vorbereitung einer Reihe von PTIO Lösungen (0,05-0,5 M) in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN in der Glove - Box mit den Zusammensetzungen in Tabelle 1. </li><li> Messung das FTIR-Spektrum für jede der Lösungen in Abschnitt 2.1.6, nach dem Verfahren in Abschnitt 2.1.2. </li></ol></li><li> FTIR Messung der SOC <ol><li> Bauen Sie eine Durchflusszelle following Abschnitt 1.2. </li><li> Auflösen PTIO (2,9 g) und TBAPF 6 (9,6 g) mit MeCN (9,8 g) in dem Handschuhfach, das heißt 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Fügen 11 mL der Lösung auf jeder der beiden Glasfläschchen. Fließen die Elektrolyte bei 20 ml / min. </li><li> Laden der Strömungszelle bei einem konstanten Strom von 10 mA / cm 2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 ml / min. </li><li> Bei der Ladezeit von 0, 18, 36, 54 und 72 min, stoppen Sie die Zellenladung und Elektrolytfluss, nehmen kleine Aliquots (0,2 ml) der Elektrolyte von Anolyt und Katholytseite Glasfläschchen, und dann die Zelle wieder aufnehmen. </li><li> Messen Sie die FTIR-Spektrum für die obigen fünf Proben Aliquots nach dem Verfahren in Abschnitt 2.1.2. </li><li> Messung der ESR-Spektrum für die obigen fünf Proben Aliquots nach dem Verfahren in Abschnitt 1.3.4. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Wie wir bereits gezeigt, ist 25 FTIR Lage , nicht-invasiv den SOC der PTIO - Flow - Batterie zu erfassen. Als Diagnosewerkzeug ist FTIR besonders vorteilhaft wegen seiner leichten Zugänglichkeit, schnelle Reaktion, niedrige Kosten, geringen Platzbedarf, Einrichtung für Online-Einbau, keine Detektorsättigung und die Fähigkeit, strukturelle Informationen zu korrelieren molekularen Entwicklungen während des Fließens Batteriebetrieb zu untersuchen. Figur 3e zeigt eine vorgeschlagene - Flow - Batterie Gerät online FTIR Sensoren zu integrieren , die Echtzeit - SOC - Überwachung für einen sicheren Betrieb ermöglicht. Um besser das Protokoll für die elektrochemische Auswertung implementieren und FTIR basierten SOC Diagnostik, eine luftfreie Umgebung im Wesentlichen wichtig; andernfalls wird reagieren die Redox - Spezies bei geladenen Zuständen mit O 2 oder Feuchtigkeit zu Materialabbau und ungenau SOC Messungen führt. Streng verschließbaren FTIR-Zellen müssenverwendet, um den Luftkontakt mit den Elektrolyten zu vermeiden. Darüber hinaus, weil diese Technik nur für die FTIR-sensitive redox Materialien verwendbar ist, ist die Durchführbarkeit Validierung durch Identifizieren gut unterscheidbare Charakteristik FTIR Peaks ein kritischer Schritt. In Anbetracht der begrenzten Selektivität von Batteriemembranen, Redox-Material Crossover ist unvermeidlich für die meisten Flow-Batterien, die in der Regel irreversible Kapazität Fading verursacht. In dieser Hinsicht hat die symmetrische Flow-Batterie das Potenzial, diesen Nachteil zu überwinden. Im PTIO-Flow-Batterie, werden alle Crossover-Spezies auf den ursprünglichen PTIO umgewandelt werden. Theoretisch kann der Kapazitätsverlust durch Material Crossover verursacht könnte durch Remixen die Elektrolyte, ähnlich wie Vanadium Flow-Batterien zurückgewonnen. 32 Daher ist die symmetrische Batterie - Design ist viel versprechend , langlebige, zuverlässige Energiespeichersysteme zu entwickeln. Die Haupteinschränkung für die aktuelle PTIO System ist , dass die PTIO - (AnolytSeite) ist nicht ausreichend stabil aufgrund allmählich auftretenden Nebenreaktionen. Ein solches Material Verlust erklärt sich die Kapazität in PTIO Flusszellen beobachtet Schwund. Entwicklung neuer ambipolar Redox-Materialien mit hoher chemischer Stabilität in allen Oxidationsstufen ist die zukünftige Richtung, das volle Potenzial dieser Batterie-Design zu demonstrieren.

Redox-Flow-Batterien speichern Energie in flüssigen Elektrolyten, die in externen Reservoirs enthalten sind und zu internen Elektroden gepumpt, um elektrochemische Reaktionen abzuschließen. Die gespeicherte Energie und Kraft kann somit hervorragende Flexibilität beim Design entkoppelt werden führenden, Skalierbarkeit und Modularität. Diese Vorteile machen Flow-Batterien gut geeignet für stationäre Energiespeicher-Anwendungen für saubere noch intermittierende erneuerbare Energien zu integrieren, die Erhöhung Grid Asset-Nutzung und Effizienz und die Verbesserung der Energieausfallsicherheit und Sicherheit. 1, 2, 3 Traditionelle wässrige Flow - Batterien leiden unter begrenzten Energiedichte, vor allem aufgrund der engen Spannungsfensters Wasserelektrolyse zu vermeiden. 4, 5, 6, 7, 8 im Gegensatz dazu nicht aqueous Elektrolyte basiert Strömungs Batterien aufgrund des Potenzials werden zur Erzielung hoher Zellspannung und eine hohe Energiedichte weit verfolgt. In diesen Bemühungen 9, 10, haben eine Vielzahl von Flow - Batterie - Chemie untersucht worden, einschließlich Metall-Koordinationskomplexe, 11, 12 all-Bio, 13, 14 redox - aktive Polymere, 15 und Lithium - Hybrid - Flow - Systeme. 16, 17, 18, 19 Allerdings hat das Potenzial der nicht-wässrigen Flow-Batterien noch nicht vollständig nachgewiesen werden, aufgrund der großen technischen Engpass der begrenzten Demonstration unter Flow-Batterie relevanten Bedingungen. Dieser Engpass ist eng mit einer Reihe von leistungsbegrenzenden Faktoren in Verbindung gebracht. Zuerst,Die geringe Löslichkeit der meisten elektroaktiven Materialien führt zu einer geringen Energiedichte liefert nichtwäßrigen Flusszellen. Zweitens ist die Ratenfähigkeit der nichtwäßrigen Flow-Batterien wird weitgehend durch den hohen Elektrolyt Viskosität und spezifischen Widerstand bei relevanten Konzentrationen redox begrenzt. Der dritte Faktor ist das Fehlen von Hochleistungsmembranen. Nafion und keramische Membranen zeigen eine geringe Ionenleitfähigkeit mit nicht-wässrigen Elektrolyten. Poröse Separatoren haben anständige Flusszelle Leistung gezeigt, aber leiden erhebliche Selbstentladung aufgrund der relativ großen Porengröße. 14, 20 Typischerweise mixed-Reaktant Elektrolyte sowohl Anolyt und Katholyt Redox - Materialien enthält (Verhältnis 1: 1) verwendet , redox Materialien Crossover zu verringern, was jedoch die effektiven Konzentrationen redox opfert, typischerweise um die Hälfte. 14, 21 , um die oben genannten Engpass zu überwinden , erfordert Verbesserungen in materrialien Entdeckung, Batteriechemie Design und Durchflusszelle Architektur Batterie relevanten Radfahren zu erreichen. Batteriestatusüberwachung ist im Wesentlichen wichtig für den zuverlässigen Betrieb. Off-normalen Bedingungen einschließlich Überladung, die Gasentwicklung und Materialabbau kann zu Schäden an der Batterieleistung und sogar Batterieausfall verursachen. Speziell für Groß-Flow-Batterien mit großen Mengen an Batteriematerialien können diese Faktoren gravierende Sicherheitsprobleme und Investitionsverlust führen. Ladezustand (SOC) beschreibt die Tiefe der Ladung oder Entladung von Flow-Batterien ist eine der wichtigsten Parameter Batteriestatus an. Rechtzeitige SOC-Überwachung können potenzielle Risiken zu erkennen, bevor sie bedrohlichen Ebenen zu erreichen. Jedoch scheint dieser Bereich so weit untergangen werden, insbesondere in nicht-wässrigen Strömungsbatterien. Spectrophotoscopic Methoden wie UV-sichtbar (UV-vis) -Spektroskopie und Elektrolytleitfähigkeitsmessungen wurden in wässrigen Strömungs Batte bewertet worden<html> ry für SOC Bestimmung. 22, 23, 24 Wir haben kürzlich eine neuartige symmetrische nichtwäßrigen Strömungsbatteriedesign eingeführt basiert auf einem neuen ambipolare Redoxmaterial, 2-Phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). 25 Diese Flow - Batterie hält das Versprechen der oben genannten Herausforderungen der nicht-wässrigen Flow - Batterien zu adressieren. Erstens hat PTIO eine hohe Löslichkeit (2,6 M) in dem Batterie Lösungsmittel aus Acetonitril (MeCN), die eine hohe Energiedichte zu ermöglichen, ist vielversprechend. Zweitens zeigt PTIO zwei reversible Redox-Paare, die mäßig getrennt sind und somit eine symmetrische Batteriechemie von selbst bilden kann. Wir haben auch gezeigt, dass eine unterscheidbare PTIO peak in der FTIR-Spektren können mit der Konzentration von nicht umgesetztem PTIO in der Strömungszelle korreliert werden, die Bestimmung des SOC der spektroskopischen führt, wie kreuzvalidierte durch ESR Ergebnisse.lass = &quot;xref&quot;&gt; 26 Hier präsentieren wir eine Protokollverfahren für elektrochemische Auswertungen und FTIR-basierten SOC Diagnose des PTIO symmetrischen Flow - Batterie zu erarbeiten. Diese Arbeit wird erwartet, um mehr Erkenntnisse auslösen in die Sicherheit und Zuverlässigkeit während der Langzeit-Flow-Batterie-Operationen aufrechterhalten, vor allem in der realen Welt-Grid-Anwendungen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>PTIO</td>
			<td>TCI America</td>
			<td>A5440</td>
			<td>&#62;98.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrabutylammonium hexafluorophosphate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>86879</td>
			<td>electrochemical grade, &#8805;99.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MeCN</td>
			<td>BASF</td>
			<td>50325685</td>
			<td>Battery grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver nitrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>204390</td>
			<td>99.9999% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gamma alumina powder</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>CHI120</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphite felt</td>
			<td>SGL</td>
			<td>GFD3</td>
			<td>Vacuum-dry at 70&#176;C for 24 h</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Porous separator</td>
			<td>Daramic</td>
			<td>AA800</td>
			<td>Vacuum-dry at 70&#176;C for 24 h</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery Tester</td>
			<td>Wuhan LAND electronics Co., Ltd.</td>
			<td>Lanhe</td>
			<td>1A current range</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrochemical Workstation</td>
			<td>Solartron Analytical</td>
			<td>ModuLab</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glove box</td>
			<td>MBRAUN</td>
			<td>Labmaster SP</td>
			<td>oxygen and water levels &#60;1 ppm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESR spectrometer</td>
			<td>Bruker&#160;</td>
			<td>Elexsys 580&#160;</td>
			<td>Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a protocol for electrochemical evaluations and state of charge diagnostics of a symmetric organic redox flow battery

Redox-Flow-Batterien sind als einer der vielversprechendsten stationären Energiespeicherlösungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Stromnetzes und den Einsatz von Technologien für erneuerbare Energien in Betracht gezogen worden. Unter den vielen Flussbatteriechemien, nicht-wässrige Flow-Batterien haben das Potenzial, eine hohe Energiedichte zu erreichen, weil der breiten Spannungsfenster von nicht-wässrigen Elektrolyten. Allerdings erhebliche technische Hürden bestehen derzeit nicht-wässrigen Flow - Batterien zu begrenzen , ihr volles Potenzial, wie niedrige Redox - Konzentrationen, niedrige Betriebsströme zu zeigen, untersucht Batteriestatusüberwachung usw. In einem Versuch , diese Einschränkungen zu begegnen, wir berichteten kürzlich ein nicht-wässrige Flow-Batterie basiert auf einem hochauflösenden, redox-aktive organische Nitronylnitroxid Radikalverbindung, 2-Phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). Das Redox-Material weist eine ambipolar elektrochemische Eigenschaft und kann daher sowohl als Anolyt dienene und Katholyt Redox-Materialien, die eine symmetrische Strömungsbatteriechemie zu bilden. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass Fourier-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) verwandeln konnte die PTIO Konzentrationen während der PTIO-Flow-Batterie Radfahren und bieten hinreichend genaue Erfassung der Batterieladezustand (SOC) zu messen, als kreuzvalidierte durch Elektronenspinresonanz (ESR) Messungen . Hier stellen wir eine Video-Protokoll für die elektrochemische Auswertung und SOC Diagnose der PTIO symmetrischen Flow-Batterie. Mit einer detaillierten Beschreibung haben wir gezeigt, experimentell die Strecke solche Zwecke zu erreichen. Dieses Protokoll zielt darauf ab, mehr Interessen und Erkenntnisse über die Sicherheit und Zuverlässigkeit im Bereich der nicht-wässrigen Redox-Flow-Batterien zu funken.

Die einzigartigen Vorteile der symmetrischen PTIO-Flow-Batterie-System sind mit den elektrochemischen Eigenschaften von PTIO, einer organischen Nitroxidradikalgruppe Verbindung stark zugeschrieben. PTIO können elektrochemische Disproportionierungsreaktionen laufen PTIO + und PTIO zu bilden - (Abbildung 2a). Diese zwei Redoxpaare sind mäßig durch einen Spannungsabstand von ~ 1,7 V (2b) getrennt und können sowohl als Anolyt und Katholyt Redox - Materialien in einer symmetrischen Batteriechemie verwendet werden. PTIO als Redox-Material verwendet, kann die Notwendigkeit einer Verwechslung Reaktanden Elektrolyten eliminieren und hohe effektive Redox-Konzentrationen ermöglichen. Die Reaktion zwischen PTIO + und PTIO - regeneriert spontan die ursprüngliche PTIO, wie durch die Erholung des ESR - Signals von PTIO demonstriert nach PTIO + und PTIO Mischen - bei gleicher molarer concentrations (Abbildung 2c). In dieser Flow - Batterie, die Crossover - geladener PTIO Spezies (PTIO + oder PTIO -) führt nicht zu unterschiedlichen Chemikalien und Materialverlust, was zu minimalen irreversible Crossover. Das PTIO Durchflußzelle geliefert ordentliche cycling Wirkungsgrade bei einer Redox-Konzentration von 0,5 M PTIO und mit einem Strom von 20 mA / cm; eine durchschnittliche Coulomb - Effizienz (CE) von ~ 90%, Spannungseffizienz (VE) von 67%, und die Energieeffizienz (EE) von 60% wurden (2d) erhalten. Die niedrige VE wurde durch die relativ hohe Zell ASR von 21,2 Ω cm 2 registriert , die eng mit begrenztem Ionenleitfähigkeit bei einer so hohen Elektrolytkonzentration zugeordnet wurde. Trotz der Kapazität Fading hat die PTIO Flusszelle Betriebs Redox Stoffkonzentration, die Stromdichte gezeigt und die Zelleffizienz deutlich höher als in vielen anderen nicht-wässrigen RFBS, die typischerweise in der Nähe von 0,1 M Konzentrationen radelte, mit Stromdichten weniger than 0,5 mA / cm 2, und / oder EEs nicht höher als 50%. 27, 28, 29, 30 FTIR hat seine Qualifikation als geeignetes SOC-Diagnose - Tool für die PTIO - Flow - Batterie erfolgreich validiert, wegen der charakteristischen FTIR - Peak bei 1.218 cm -1 , die vermutlich auf die NO - Bindung entspricht. 31 Zunächst wird die Stütz MeCN Lösungsmittel und TBAPF 6 -Salz vernachlässigbare Störspitzen an dieser Position (Abbildung 3a). Zweitens unterscheidet FTIR unter den drei Redoxspezies von PTIO, insbesondere bei Verschwinden dieses Peaks für PTIO + an der Katholyt Seite (3b). Drittens, die Intensität (T) dieser Peak zeigt eine starke Abhängigkeit von der Konzentration PTIO (Abbildung 3c und Einfügung), das heißt eine lineare -log (T)vs. [PTIO] Standard Beziehung (Gleichung 1) erhält man nach dem Beer-Lambert-Gesetz: <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55171/55171eq1.jpg" /> (1) Die fünf Proben Aliquots aus dem Katholyten Seite (4a) aufgenommen wurden verwendet , um den SOC der PTIO Strömungszelle zu bestimmen. Da die Ladezeit von Probe # vorgegangen 0 bis # 4, die Intensität der 1218 cm -1 peak verringert kontinuierlich durch den Verbrauch von PTIO (4b); so war das ESR - Signal (4c). Die Konzentrationen an nicht umgesetztem PTIO in diesen Proben wurden durch die FTIR Intensitäten der 1.218 cm -1 peak abgeleitet nach Gleichung 2, die dann verwendet wurde , die SOC berechnet folgende Gleichung 2. Wie in Figur 4d gezeigt, wie erhalten [PTIO] und SOC dieser Proben sind in enger Abstimmung mit den ESR-Messungen, die eine gute Kreuzvalidierung zu sein scheint. (2) Die Teile und den Zusammenbau der Durchflußzelle in dieser Studie verwendet werden in Abbildung 1 dargestellt. Die elektrochemische Leistung des symmetrischen PTIO - Flow - Batterie, einschließlich Redox - Reaktionen, CV - Kurven, ESR Validierung des symmetrischen Design profitieren, und Zellzyklus - Datenfluss ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Machbarkeitsprüfung für FTIR als ein geeignetes Verfahren unter Verwendung des SOC des PTIO - Flow - Batterie zu bestimmen , ist in Abbildung 3 dargestellt. FTIR basierten SOC - Bestimmungen, einschließlich der Spannungskurve der Durchflußzelle, der SOC vom FTIR erhalten und kreuzvalidierte durch ESR und eine vorgeschlagene Online - Diagnose - System sind in Abbildung 4 dargestellt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55171/55171fig1.jpg" /> Abbildung 1: Die Fotografie der Strömungszelle als<html> sammlung. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55171/55171fig2.jpg" /> Abbildung 2: Die elektrochemische Leistung von PTIO. (A) werden die Redox - Reaktionen von PTIO zu PTIO + (Katholyt Seite) und zu PTIO - (Anolyt - Seite) verbunden sind; (B) 500 Zyklen fast vollständig überlappten CV - Kurven von PTIO auf einer Glaskohlenstoffelektrode; (C) ESR - Spektren , die Reaktion zwischen PTIO + und PTIO zeigt - regeneriert die ursprüngliche PTIO; (D) Zykluskapazität und Effizienz der 0,5 M PTIO Durchflußzelle. Diese Zahl wurde von Referenz 25 modifiziert.<html> erhalten = &quot;_ blank&quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55171/55171fig3.jpg" /> Abbildung 3: Machbarkeitsprüfung für FTIR unter Verwendung des SOC der PTIO - Flow - Batterie zu bestimmen. (A) FTIR - Spektren von MeCN, 1,0 M TBAPF 6 in MeCN und 0,5 M PTIO in 1,0 M TBAPF6 in MeCN; (B) FTIR - Spektren von PTIO, PTIO + und PTIO - (0,5 M in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN); (C) FTIR - Spektren von Standard PTIO Lösungen bei 0,05 M bis 0,5 M mit einer 0,05 M - Intervall. Diese Zahl wurde von Referenz 25 modifiziert. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> pload / 55171 / 55171fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4: FTIR-basierten SOC Diagnostik. (A) die Ladespannungskurve einer 0,5 M PTIO Durchflußzelle zeigt fünf Proben Aliquots (# 0, 1, 2, 3, 4) aus der Zelle herausgezogen während des Ladens; (B) FTIR und (c) ESR - Spektren der fünf Katholyt Probenaliquote; (D) nicht umgesetzten PTIO Konzentrationen und fließen SOC Zelle aus FTIR - Messungen erhalten und kreuzvalidierte mit ESR - Messungen; (E) ein Schema einer Flow - Batterie - Gerät mit Online - FTIR - Überwachungssensoren eingebaut. Diese Zahl wurde von Referenz 25 modifiziert. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55171/55171fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> PTIO Conc. (M) </td><td> 0,05 </td><td> 0,1 &lt;/ Td&gt; <td> 0,15 </td><td> 0,2 </td><td> 0,25 </td><td> 0,3 </td><td> 0,35 </td><td> 0,4 </td><td> 0,45 </td><td> 0,5 </td></tr><tr><td> MeCN </td><td> 0,301 g </td><td> 0.295 g </td><td> 0,273 g </td><td> 0,25 g </td><td> 0,291 g </td><td> 0.255 g </td><td> 0.242 g </td><td> 0,232 g </td><td> 0,243 g </td><td> 0,263 g </td></tr><tr><td> TBAPF 6 </td><td> 0,233 g </td><td> 0,233 g </td><td> 0,223 g </td><td> 0,21 g </td><td> 0,247 g </td><td> 0,222 g </td><td> 0,214 g </td><td> 0,213 g </td><td> 0,225 g </td><td> 0.255 g </td></tr><tr><td> PTIO </td><td> 0,007 g </td><td> 0,014 g </td><td> 0,02 g </td><td> 0,025 g </td><td> 0,037 g </td><td> 0,04 g </td><td> 0,045 g </td><td> 0,051 g </td><td> 0,061 g </td><td> 0,076 g </td></tr></tbody></table> Tabelle 1: Zusammensetzungen der PTIO Standardlösungen.

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A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery

Wir präsentieren Ihnen die Protokolle für die elektrochemisch mit einem symmetrischen nicht-wässrigen organischen Redox-Flow-Batterie zu bewerten und für seinen Ladezustand der Diagnose mittels FTIR.

Ein Protokoll für elektrochemische Auswertungen und State of Charge Diagnose eines Symmetric Organische Redox-Flow-Batterie

Redox flow batteries have been considered as one of the most promising stationary energy storage solutions for improving the reliability of the power grid ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

10.4K Aufrufe.  Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).  Wir präsentieren Ihnen die Protokolle für die elektrochemisch mit einem symmetrischen nicht-wässrigen organischen Redox-Flow-Batterie zu bewerten und für seinen Ladezustand der Diagnose mittels FTIR. 

Serie: A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery

Steady-state, Pre-steady-state, and Single-turnover Kinetic Measurement for DNA Glycosylase Activity

Human 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) excises the mutagenic oxidative DNA lesion 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG) from DNA. Kinetic characterization of OGG1 is undertaken to measure the rates of 8-oxoG excision and product release. When the OGG1 concentration is lower than substrate DNA, time courses of product formation are biphasic; a rapid exponential phase (i.e. burst) of product formation is followed by a linear steady-state phase. The initial burst of product formation corresponds to the concentration of enzyme properly engaged on the substrate, and the burst amplitude depends on the concentration of enzyme. The first-order rate constant of the burst corresponds to the intrinsic rate of 8-oxoG excision and the slower steady-state rate measures the rate of product release (product DNA dissociation rate constant, koff). Here, we describe steady-state, pre-steady-state, and single-turnover approaches to isolate and measure specific steps during OGG1 catalytic cycling. A fluorescent labeled lesion-containing oligonucleotide and purified OGG1 are used to facilitate precise kinetic measurements. Since low enzyme concentrations are used to make steady-state measurements, manual mixing of reagents and quenching of the reaction can be performed to ascertain the steady-state rate (koff). Additionally, extrapolation of the steady-state rate to a point on the ordinate at zero time indicates that a burst of product formation occurred during the first turnover (i.e. y-intercept is positive). The first-order rate constant of the exponential burst phase can be measured using a rapid mixing and quenching technique that examines the amount of product formed at short time intervals (&lt;1 sec) before the steady-state phase and corresponds to the rate of 8-oxoG excision (i.e. chemistry). The chemical step can also be measured using a single-turnover approach where catalytic cycling is prevented by saturating substrate DNA with enzyme (E&gt;S). These approaches can measure elementary rate constants that influence the efficiency of removal of a DNA lesion.

Time courses for the glycosylase activity of 8-oxoguanine DNA glycosylase are biphasic exhibiting a burst of product formation and a linear steady-state phase. Utilizing quench-flow techniques, the burst and the steady-state rates can be measured, which correspond to excision of 8-oxoguanine and release of the glycosylase from the product DNA, respectively.

Steady-State-, Pre-Steady-State-und Einzel-Umsatz Kinetic Measurement für DNA Glycosylase Aktivität

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Synthesis, activation, and characterization of intentionally designed metal-organic framework materials is challenging, especially when building blocks are incompatible or unwanted polymorphs are thermodynamically favored over desired forms. We describe how applications of solvent-assisted linker exchange, powder X-ray diffraction in capillaries and activation via supercritical CO2 drying, can address some of these challenges.

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Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions

This protocol describes the dynamic measurement of chloride ions using the transition time of a silver silver chloride (Ag/AgCl) electrode. Silver silver chloride electrode is used extensively for potentiometric measurement of chloride ions concentration in electrolyte. In this measurement, long-term and continuous monitoring is limited due to the inherent drift and the requirement of a stable reference electrode. We utilized the chronopotentiometric approach to minimize drift and avoid the use of a conventional reference electrode. A galvanostatic pulse is applied to an Ag/AgCl electrode which initiates a faradic reaction depleting the Cl&#713; ions near the electrode surface. The transition time, which is the time to completely deplete the ions near the electrode surface, is a function of the ion concentration, given by the Nernst equation. The square root of the transition time is in linear relation to the chloride ion concentration. Drift of the response over two weeks is negligible (59 &#181;M/day) when measuring 1 mM [Cl&#713;]using a current pulse of 10 Am-2. This is a dynamic measurement where the moment of transition time determines the response and thus is independent of the absolute potential. Any metal wire can be used as a pseudo-reference electrode, making this approach feasible for long-term measurement inside concrete structures.

Dynamic measurement of chloride ions is presented. Transition time of an Ag/AgCl electrode, during a chronopotentiometric technique, can give the concentration of chloride ions in electrolyte. This method does not require a stable conventional reference electrode.

Dynamische elektrochemischen Messung von Chlorid-Ionen

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Glycan Node Analysis: A Bottom-up Approach to Glycomics

Synthesized in a non-template-driven process by enzymes called glycosyltransferases, glycans are key players in various significant intra- and extracellular events. Many pathological conditions, notably cancer, affect gene expression, which can in turn deregulate the relative abundance and activity levels of glycoside hydrolase and glycosyltransferase enzymes. Unique aberrant whole glycans resulting from deregulated glycosyltransferase(s) are often present in trace quantities within complex biofluids, making their detection difficult and sometimes stochastic. However, with proper sample preparation, one of the oldest forms of mass spectrometry (gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS) can routinely detect the collection of branch-point and linkage-specific monosaccharides ("glycan nodes") present in complex biofluids. Complementary to traditional top-down glycomics techniques, the approach discussed herein involves the collection and condensation of each constituent glycan node in a sample into a single independent analytical signal, which provides detailed structural and quantitative information about changes to the glycome as a whole and reveals potentially deregulated glycosyltransferases. Improvements to the permethylation and subsequent liquid/liquid extraction stages provided herein enhance reproducibility and overall yield by facilitating minimal exposure of permethylated glycans to alkaline aqueous conditions. Modifications to the acetylation stage further increase the extent of reaction and overall yield. Despite their reproducibility, the overall yields of N-acetylhexosamine (HexNAc) partially permethylated alditol acetates (PMAAs) are shown to be inherently lower than their expected theoretical value relative to hexose PMAAs. Calculating the ratio of the area under the extracted ion chromatogram (XIC) for each individual hexose PMAA (or HexNAc PMAA) to the sum of such XIC areas for all hexoses (or HexNAcs) provides a new normalization method that facilitates relative quantification of individual glycan nodes in a sample. Although presently constrained in terms of its absolute limits of detection, this method expedites the analysis of clinical biofluids and shows considerable promise as a complementary approach to traditional top-down glycomics.

This article presents an enhanced form of a novel bottom-up glycomics technique designed to analyze the pooled compositional profile of glycans in unfractionated biofluids through the chemical breakdown of glycans into their constituent linkage-specific monosaccharides for detection by GC-MS. Potential applications include early detection of cancer and other glycan-affective disorders.

Glycan Knoten Analyse: Ein Bottom-up-Ansatz Glycomics

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Synthesis of Cyclic Polymers and Characterization of Their Diffusive Motion in the Melt State at the Single Molecule Level

We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single molecule level. An electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process is used for the synthesis of the cyclic poly(tetrahydrofuran) (poly(THF)). The diffusive motion of individual cyclic polymer chains in a melt state is visualized using single molecule fluorescence imaging by incorporating a fluorophore unit in the cyclic chains. The diffusive motion of the chains is quantitatively characterized by means of a combination of mean-squared displacement (MSD) analysis and a cumulative distribution function (CDF) analysis. The cyclic polymer exhibits multiple-mode diffusion which is distinct from its linear counterpart. The results demonstrate that the diffusional heterogeneity of polymers that is often hidden behind ensemble averaging can be revealed by the efficient synthesis of the cyclic polymers using the ESA-CF process and the quantitative analysis of the diffusive motion at the single molecule level using the MSD and CDF analyses.

A protocol for the synthesis and characterization of diffusive motion of cyclic polymers at the single molecule level is presented.

Synthese cyclischer Polymere und Charakterisierung ihrer Diffusionsbewegung im geschmolzenen Zustand auf der Einzelmolekülebene

We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single ...

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

Carboxylic acids are organic acids containing one or more terminal carboxyl (COOH) functional groups. Short chain carboxylic acids (SCCAs; carboxylic acids containing three to six carbons), such as malate and citrate, are critical to the proper functioning of many biological systems, where they function in cellular respiration and can serve as indicators of cell health. In foods, organic acid content can have significant impact on taste, with increased SCCA levels resulting in a sour or &#34;acid&#34; taste. Because of this, methods for the rapid analysis of organic acid levels are of particular interest to the food and beverage industries. Unfortunately, however, most methods used for SCCA quantification are dependent on time-consuming protocols requiring the derivatization of samples with hazardous reagents, followed by costly chromatographic and/or mass spectrometric analyses. This method details an alternate method for the detection and quantification of organic acids from plant material and food samples using free zonal capillary electrophoresis (CZE), sometimes simply referred to as capillary electrophoresis (CE). CZE provides a cost-effective method for measuring SCCAs with a low limit of detection (0.005 mg/ml). This article details the extraction and quantification of SCCAs from plant samples. While the method provided focuses on measurement of SCCAs from coffee beans, the method provided can be applied to multiple plant-based food materials.

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

This article presents a method for the detection and quantification of organic acids from plant material using free zonal capillary electrophoresis. An example of the potential application of this method, determining the effects of a secondary fermentation on organic acid levels in coffee seeds, is provided.

Mit Hilfe der Kapillarelektrophorese organischen Säuren aus Pflanzengewebe zu beziffern: ein Test Untersuchen<em&gt; Coffea arabica</em&gt; Saatgut

Carboxylic acids are organic acids containing one or more terminal carboxyl (COOH) functional groups. Short chain carboxylic acids (SCCAs; carboxylic ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). In the case of fast reversible electrochemical processes, current is predominantly affected by the rate of diffusion, which is the slowest and limiting stage. EIS is a powerful technique that allows separate analysis of stages of charge transfer that have different AC frequency response. The capability of the method was used to extract the value of charge transfer resistance, which characterizes the rate of charge exchange on the electrode-solution interface. The application of this technique is broad, from biochemistry up to organic electronics. In this work, we are presenting the method of analysis of organic compounds for optoelectronic applications.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of species that undergo reversible oxidation or reduction in solution was used for determination of rate constants of oxidation or reduction.

Elektrochemische Impedanz Spektroskopie als Instrument zur elektrochemischen Rate Konstanten Schätzung

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Here, we describe an effective protocol that combines photoredox Ni/Ir catalysis with the use of a Zn-alkoxide for efficient ring-opening polymerization, allowing for the synthesis of isotactic poly(&#945;-hydroxy acids) with expected molecular weights (&#62;140 kDa) and narrow molecular weight distributions (Mw/Mn &#60; 1.1). This ring-opening polymerization is mediated by Ni and Zn complexes in the presence of an alcohol initiator and a photoredox Ir catalyst, irradiated by a blue LED (400 - 500 nm). The polymerization is performed at a low temperature (-15 &#176;C) to avoid undesired side reactions. The complete monomer consumption can be achieved within 4 - 8 hours, providing a polymer close to the expected molecular weight with narrow molecular weight distribution. The resulted number-average molecular weight shows a linear correlation with the degree of polymerization up to 1000. The homodecoupling 1H NMR study confirms that the obtained polymer is isotactic without epimerization. This polymerization reported herein offers a strategy for achieving rapid, controlled O-carboxyanhydrides polymerization to prepare stereoregular poly(&#945;-hydroxy acids) and its copolymers bearing various functional side-chain groups.

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

A protocol for the controlled photoredox ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides mediated by Ni/Zn complexes is presented.

Kontrollierte Photoredox ringöffnende Polymerisation von O- Carboxyanhydrides vermittelt durch Ni/Zn-komplexe

Here, we describe an effective protocol that combines photoredox Ni/Ir catalysis with the use of a Zn-alkoxide for efficient ring-opening polymerization, ...

Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Determining the Structure and Mechanisms of Metal Ion Recognition and Redox Activity of Metal Binding Oligopeptides

Electrospray ionization (ESI) can transfer an aqueous-phase peptide or peptide complex to the gas-phase while conserving its mass, overall charge, metal-binding interactions, and conformational shape. Coupling ESI with ion mobility-mass spectrometry (IM-MS) provides an instrumental technique that allows for simultaneous measurement of a peptide&#8217;s mass-to-charge (m/z) and collision cross section (CCS) that relate to its stoichiometry, protonation state, and conformational shape. The overall charge of a peptide complex is controlled by the protonation of 1) the peptide&#8217;s acidic and basic sites and 2) the oxidation state of the metal ion(s). Therefore, the overall charge state of a complex is a function of the pH of the solution that affects the peptides metal ion binding affinity. For ESI-IM-MS analyses, peptide and metal ions solutions are prepared from aqueous-only solutions, with the pH adjusted with dilute aqueous acetic acid or ammonium hydroxide. This allows for pH dependence and metal ion selectivity to be determined for a specific peptide. Furthermore, the m/z and CCS of a peptide complex can be used with B3LYP/LanL2DZ molecular modeling to discern binding sites of the metal ion coordination and tertiary structure of the complex. The results show how ESI-IM-MS can characterize the selective chelating performance of a set of alternative methanobactin peptides and compare them to the copper-binding peptide methanobactin.

Ion mobility-mass spectrometry and molecular modeling techniques can characterize the selective metal chelating performance of designed metal-binding peptides and the copper-binding peptide methanobactin. Developing new classes of metal chelating peptides will help lead to therapeutics for diseases associated with metal ion misbalance.

Ionen-Mobilitäts-Massenspektrometrie-Techniken zur Bestimmung der Struktur und Mechanismen der Metallionenerkennung und Redox-Aktivität von Metallbindungsoligopeptiden