Impulsando el medio ambiente

13 de octubre de 2022

por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong

La batería de metal-dióxido de carbono es una tecnología prometedora y respetuosa con el medio ambiente, pero su eficiencia energética es limitada. Recientemente, un equipo de investigación codirigido por químicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió una forma innovadora de superar este problema mediante la introducción de un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, lo que aumenta la eficiencia energética de la batería hasta en un 83,8 %. El estudio revela un diseño novedoso de catalizadores para la nueva generación de baterías de meta-gas que pueden contribuir a objetivos neutrales en carbono.

La batería de dióxido de carbono metálico puede proporcionar electricidad duradera (alta densidad de energía) para la electrónica y permitir la fijación de dióxido de carbono (CO2) sin el consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir las emisiones de gases de efecto invernadero de CO2 en productos de valor agregado. En particular, la batería de dióxido de carbono y litio tiene una alta densidad de energía teórica (1876 Wh kg-1), lo que la convierte en un candidato prometedor para la tecnología de almacenamiento y conversión de energía de alto rendimiento de próxima generación.

Sin embargo, las baterías de metal-CO2 todavía sufren una cinética de reacción lenta. Esto provoca un gran sobrepotencial (es decir, se requiere más voltaje o energía de lo que se determina teóricamente para impulsar la reacción de oxidación-reducción que hace que la batería funcione), baja eficiencia energética, mala reversibilidad y estabilidad de ciclos limitada.

"Los investigadores suelen considerar que la morfología, el tamaño, los constituyentes y la distribución de los componentes de base metálica en los catalizadores de cátodos compuestos son las principales preocupaciones que conducen a las diferencias en el rendimiento de la batería", dijo el Dr. Fan Zhanxi, profesor asistente en el Departamento de Química de CityU. y uno de los líderes del estudio. "Pero descubrimos que la preparación de nuevos catalizadores con fases no convencionales es una estrategia factible y prometedora para aumentar la eficiencia energética y el rendimiento de las baterías de metal-gas, especialmente porque las estrategias tradicionales de modificación de los catalizadores han encontrado obstáculos técnicos a largo plazo".

El Dr. Fan y su equipo acumularon una amplia experiencia y conocimientos relacionados con la regulación precisa de la fase cristalina de los nanomateriales de base metálica, lo que les permitió seleccionar los elementos adecuados para construir sus fases no convencionales y, posteriormente, estudiar el efecto de la fase cristalina de los catalizadores en la cinética de reacción de cierto tipo de electroquímica metal-gas aprótica (es decir, que no involucra iones de hidrógeno). "Sin embargo, esto no significa que este proceso sea fácil de realizar porque implica requisitos estrictos sobre la bifuncionalidad de los catalizadores de cátodo en un entorno orgánico", explicó el Dr. Fan.

El equipo sintetizó nanoestructuras de iridio con una heterofase cúbica centrada en la cara (fcc)/4H no convencional mediante el control de la cinética de crecimiento de Ir en plantillas de oro (Au). En sus experimentos, el catalizador con heterofase 4H/fcc demostró una meseta de carga más baja (por debajo de 3,61 V) y una mayor eficiencia energética de hasta un 83,8 % durante el ciclo en baterías apróticas de Li-CO2 que otros catalizadores basados ​​en metales (comúnmente con un potencial de carga de más de 3,8 V y eficiencia energética de hasta el 75%).

La combinación de experimentos y cálculos teóricos realizados por el equipo reveló que las nanoestructuras de Ir 4H/fcc creadas a través de la ingeniería de fases son más favorables para la formación reversible de productos de descarga amorfos/poco cristalinos, lo que reduce el sobrepotencial y promueve la estabilidad cíclica de la redox electroquímica. reacciones Las nanoestructuras inusuales de fase 4H/fcc Ir funcionaron mucho mejor que las fcc Ir comunes y lograron un potencial de carga y una eficiencia energética excepcionales en comparación con otros catalizadores basados ​​en metales que se han utilizado en baterías apróticas de Li-CO2.

"Este estudio revela el gran potencial de la ingeniería de fase de los catalizadores en la electroquímica metal-gas. Abre una nueva dirección para diseñar catalizadores para desarrollar sistemas sostenibles de conversión y almacenamiento de energía electroquímica", concluyó el Dr. Fan.

Los hallazgos fueron publicados recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Más información: Jingwen Zhou et al, Impulsar la cinética de reacción en baterías apróticas de dióxido de carbono y litio con nanomateriales metálicos en fase no convencional, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

Información del diario:procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias

Proporcionado por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong