Zink-nitratbatterier är ett primärt icke-laddningsbart energilagringssystem som använder redoxpotentialskillnaden mellan zink och nitratjoner för att lagra och frigöra elektrisk energi. Ett forskarlag som leds av kemister från City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat ett högpresterande uppladdningsbart zink-nitrat/etanolbatteri genom att introducera en innovativ katalysator.
De designade och syntetiserade framgångsrikt en effektiv tetrafenylporfyrin (tpp) modifierad heterofas rodium-kopparlegering metallen (RhCu M-tpp). Denna bifunktionella katalysator uppvisar anmärkningsvärda egenskaper i både den elektrokatalytiska nitratreduktionsreaktionen (NO3 RR) och etanoloxidationsreaktion (EOR) i ett neutralt medium, vilket övervinner de monofunktionella begränsningarna hos traditionella metallbaserade fasta katalysatorer och ger en värdefull referens för utformningen av hållbar energilagring i framtiden.
"Denna studie belyser betydelsen av molekyl-metallreläkatalys för effektiv NH3 elektrosyntes i NO3 RR och erbjuder en multifunktionell batteriprototyp som visar fördelarna med metallbaserade elektrokemiska hybridsystem på högpresterande, hållbar energilagring och omvandling, säger professor Fan Zhanxi, biträdande professor vid Institutionen för kemi vid CityU, som ledde studien. belyser betydelsen av resultaten.
Prof Fan utvecklade det unika med fynden och förklarade att RhCu M-tpp som erhållits övervinner utmaningen med traditionella Cu-baserade katalysatorer som kräver ganska negativ potential för att effektivt omvandla nitrat till ammoniak vid ledning av NO3 RR i ett neutralt medium. Dessutom, baserat på den överlägsna bifunktionaliteten hos RhCu M-tpp som framställts för både NO3 RR och EOR, ett laddningsbart Zn-nitrat/etanol-batteri konstruerades framgångsrikt för att hantera den dåliga laddningsbarheten hos traditionella zink-nitrat galvaniska celler.
Dessutom avslöjades en molekyl-metallreläkatalysmekanism i detta arbete, varigenom nitrat först reduceras till nitrit på tpp, och sedan omvandlas den genererade nitriten till ammoniak på metalliska platser. Detta verifierade genomförbarheten av molekylär ytmodifiering för att förbättra den elektrokemiska prestandan hos nanometaller för NO3 RR.
Artikeln är publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
Aktiviteten hos katodkatalysatorer är avgörande för prestanda hos zink-nitratbatterier. För närvarande har dock använda kopparbaserade katalysatorer begränsningar. De kräver mycket negativ applicerad potential och har svag protonadsorption, vilket resulterar i låg strömtäthet och ammoniakutbyte. Dessutom är dessa katalysatorer inte lämpliga för elektrokatalytisk syreutvecklingsreaktion (OER), vilket leder till icke-laddningsbara batterier och dålig livslängd.
För att ta itu med dessa problem utvecklade forskargruppen ultratunna bimetalliska RhCu-metallener för att minska energibarriären för koppar. Efter många försök upptäckte de att modifiering av ytan på RhCu-metallener med en liten molekyl, kallad tpp, avsevärt förbättrade effektiviteten av nitratomvandling till ammoniak utan att kompromissa med prestanda hos metalliska substrat vid etanoloxidation. Detta genombrott kan alltså förbättra den övergripande prestandan hos zink-nitratbatterier.
Forskningsresultaten erbjuder en effektiv lösning för att konstruera högpresterande, zinkbaserade hybridenergisystem och ger värdefulla insikter för framtida katalysatordesign av multifunktionella och miljövänliga enheter.
Mer information: Jingwen Zhou et al, Konstruktion av molekyl-metallreläkatalys över heterofasmetallen för högpresterande uppladdningsbara zink-nitrat/etanolbatterier, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2311149120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
