Forskare från Case Western Reserve University och University of North Texas har gjort vad de tror är den första metallfria bifunktionella elektrokatalysatorn som presterar lika bra eller bättre än de flesta metall- och metalloxidelektroder i zink-luftbatterier.

Zink-luftbatterier förväntas vara säkrare, lättare, billigare och kraftfullare och mer hållbara än litiumjonbatterier som är vanliga i mobiltelefoner och bärbara datorer och som används alltmer i hybrid- och elbilar.

Denna kolbaserade katalysator fungerar effektivt i både syrereduktionsreaktionen och syreutvecklingsreaktionen, gör batteriet uppladdningsbart. Katalysatorn är också billig, lätt att göra och mer ekologiskt än de flesta alternativa material.

Forskningen publiceras i nätupplagan av Naturens nanoteknik .

"Med batterier, kostnad är alltid ett problem och metallfria katalysatorer kan minska kostnaderna samtidigt som de förbättrar prestandan, " sa Liming Dai, professor i makromolekylär vetenskap och teknik vid Case Western Reserve University och senior författare till studien. "Dessa batterier kan användas i datorer, datastationer, för belysning – var som helst batterier används nu."

Dai arbetade med Case Western Reserves postdoktor Jintao Zhang, som utförde experimentellt arbete; och North Texas Universitys Zhenhai Xia, professor i materialvetenskap och teknik, och Zhenghang Zhao, en doktorand, som utförde teoretiska simuleringar.

Zink-luftbatterier blandar syre från luften med zink i en flytande alkalisk elektrolyt för att skapa en laddning. Batterierna kan ha tre gånger så mycket energitäthet som litiumjonbatterier, men har varit trög. För att motverka det problemet, forskare letar efter olika katalysatormaterial.

Denna katalysator är en stabil kolaerogel, eller skum, med porer som sträcker sig från 2 till 50 nanometer i diameter, ger enorm yta och utrymme för batterielektrolyten att diffundera.

Forskarna följde ett skumtillverkningsförfarande som publicerades av forskare vid Stanford University 2012. De polymeriserade molekyler av den organiska föreningen anilin till långa kedjor i en fytinsyralösning, frystorkade sedan den tredimensionella hydrogelen till en aerogel.

"Det vi gjorde som är nytt är karbonatiserat 3D-strukturen, ändra det till ett grafitiskt kolmaterial, " sa Zhang.

Att göra det, forskarna värmde aerogelen till 1, 000 grader Celsius i frånvaro av syre. Processen, kallas pyrolys, orsakade en termokemisk reaktion, förvandla skummet till ett grafitnätverk, med många grafenkanter som visade sig vara avgörande för katalys.

"Detta är en låg kostnad, ett steg, skalbar process, "Dai sa. "Elektrokatalysatorn ger jämförbara eller bättre resultat än dyrare material."

Anilinet infunderar, eller dop, skummet med kväve, vilket förstärker syrereduktionsreaktionen. Fytinsyra infunderar skummet med fosfor. "Samdopningen av kväve och fosfor förbättrar både syrereduktionen och syreutvecklingsreaktionerna, som bekräftas av de första principernas beräkningar", sa Xia.

I jämförelser, kolskummets prestanda i en primär, eller ej uppladdningsbar, batteri och ett uppladdningsbart batteri matchade eller överträffade det för dyra platina/metalloxidbaserade katalysatorer. Och, den hade bättre långsiktig stabilitet.

Kolskummet matchade eller överträffade också de flesta tidigare rapporterade metallfria katalysatorer, även nyligen utvecklade kolbaserade katalysatorer med metaller.

Går vidare, Dais team har börjat optimera processen ytterligare samtidigt som de undersöker andra grafitiska kolmaterial samdopade med olika element för möjlig användning i andra energi- och miljötekniker.

Dais labb har tidigare utvecklat kolbaserade katalysatorer som presterar jämförbart eller bättre än dyrare metallbaserade katalysatorer som används i alkaliska och sura bränsleceller och i färgsensibiliserade solceller.

"Det kanske är dags att driva på för metallfria katalysatorer i kommersiella enheter, " sa Dai.