Den snabba tillväxten i den globala energiefterfrågan har orsakat massiv utarmning av traditionella fossila bränslen och allvarliga miljöproblem, och det råder ingen tvekan om att utvecklingen av effektiv energilagrings- och omvandlingsteknik är ett viktigt forskningsområde. Uppladdningsbara Zn-air-batterier har väckt stort forskningsintresse på grund av sin höga energitäthet, låga kostnad, miljövänlighet och säkerhet.
Luftkatodernas tröga kinetiska processer begränsar dock utvecklingen av Zn-air batteriteknologi, nämligen syrereduktionsreaktionen (ORR) under urladdning och syreutvecklingsreaktionen (OER) under laddning. Därför krävs effektiva elektrokatalysatorer för att främja dessa två reaktioner.
Typiskt är ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer som platina (Pt) effektiva för ORR, medan rutenium (Ru) och iridium (Ir) oxider är effektiva för OER. Den otillfredsställande bifunktionella katalytiska aktiviteten, dåliga stabiliteten, låga förekomsten och höga priset på ädelmetallkatalysatorer hindrar emellertid oundvikligen den praktiska tillämpningen. Därför är det fortfarande en stor utmaning att designa effektiva och billiga katalysatorer med bifunktionell katalytisk aktivitet för ORR och OER.
Under det senaste decenniet har forskare försökt utveckla bifunktionella elektrokatalysatorer utan ädelmetaller, inklusive övergångsmetaller (Fe, Co, Ni och Mn), metallegeringar, oxider, nitrider, hydroxider och fosfider. Bland dessa kemikalier har övergångsmetallegeringar tilldragit sig stort intresse på grund av deras låga pris och höga katalytiska aktivitet för ORR och OER.
Djupgående studier har visat att järnbaserade katalysatorer kan ge utmärkt katalytisk aktivitet för ORR men deras OER-katalytiska prestanda är dålig, medan nickelbaserade katalysatorer har enastående prestanda i OER, och det råder ingen tvekan om att kombinationen av Fe och Ni är ett klokt val för konstruktion av effektiva bifunktionella katalysatorer.
FeNi-legerade elektrokatalysatorer med goda ORR- och OER-katalytiska aktiviteter samtidigt är mycket önskvärda. Det har gjorts vissa framsteg i denna riktning; metalldelarna lider dock fortfarande av otillräcklig hållbarhet eftersom upprepade redoxreaktioner kan leda till metallupplösning i vattenlösningar.
Att balansera katalytisk aktivitet och hållbarhet hos legerade elektrokatalysatorer är en av de stora utmaningarna för att uppnå utmärkta prestanda. För att lösa detta problem är en effektiv ringpoststrategi att konstruera en inkapslingsstruktur med kolmaterial.
Den kemiska reaktionsmiljön, som vanligtvis inkluderar reagerande molekyler i en flytande lösning, temperatur och en mängd olika fysiska fält, är som slagfältet där katalysatorer slåss. Det stabiliserade kolskiktet skyddar den inre metallkärnan från den destruktiva reaktionsmiljön.
Det beskrivs därför bildligt som ringbrynjekatalysatorer. Ringbrynjan ska inte bara vara ett robust material för att separera och skydda katalysatorn från korrosiva miljöer, utan bör också kunna överföra katalytisk aktivitet till dess yttre yta, som sedan deltar i den katalytiska reaktionen.
Nyligen designade ett forskarlag under ledning av prof. Zhen Zhou från Zhengzhou University, Kina, en mycket lovande ringbrynjekatalysator vid namn FeNi@NC, bestående av ultratunna kolskal som kapslar in FeNi-legeringsnanopartiklar på N-dopade grafenliknande nanoskivor. De starka synergistiska effekterna mellan FeNi-legeringar och N-dopade kolskal resulterar i enastående bifunktionell katalytisk aktivitet, särskilt i alkaliska medier.
Följaktligen visar Zn-air-batterier som innehåller FeNi@NC som katalysator exceptionella prestanda, som fungerar tillförlitligt vid hög effekttäthet med förlängd livslängd. Dessutom gav beräkningsanalyser ytterligare bekräftelse på den katalytiska aktiviteten och avslöjade att elektronöverföringen från FeNi-legeringsnanopartiklar till kolskalen aktiverar kolytan, vilket leder till förbättrad katalytisk prestanda.
Den här forskningen belyser inte bara den rationella designen och syntesen av heteroatomdopade kolmaterial som stödjer de tillväxtbegränsade övergångsmetallegeringarna, utan erbjuder också en praktisk lösning för att främja användningen av Zn-air-batterier.
Forskningen publiceras i Chinese Journal of Catalysis .
Mer information: Yibo Guo et al, Revolutionizing Zn-Air-batterier med ringbrynjekatalysatorer:Ultratunna kolinkapslade FeNi-legeringar på N-dopad grafen för förbättrad syreelektrokatalys, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64603-0
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
