Transición

particuología

imagen: Científicos del Instituto de Tecnología de Beijing, la Universidad de Tsinghua y la Universidad Normal de Harbin propusieron una estrategia de composición de sitios de metales de transición atómicos para promover reacciones electroquímicas lentas (reacción de evolución de oxígeno (OER) y reacción de reducción de oxígeno (ORR)) para lograr alta velocidad, Baterías recargables de zinc-aire de alta capacidad y ciclo largo para aplicaciones prácticas.ver más

Crédito: Bo-Quan Li, Instituto de Tecnología de Beijing

Las baterías recargables de zinc-aire, alimentadas por la oxidación del zinc con el oxígeno del aire, ofrecen una opción de almacenamiento eficiente para la energía renovable que es limpia y segura. Sin embargo, el rendimiento de la batería se ha visto obstaculizado por reacciones electroquímicas de oxígeno lentas, un cuello de botella crítico para escalar y comercializar.

En su estudio publicado el 6 de octubre enparticuología, un equipo de investigadores en China diseñó una estrategia para mejorar el rendimiento de la batería que implica impulsar las reacciones de oxígeno mediante la combinación de dos metales de transición para generar una alta actividad electrocatalítica.

La mayoría de las fuentes de energía renovable, incluida la energía solar, carecen de estabilidad a largo plazo y requieren sistemas de almacenamiento de energía de alta eficiencia para integrarse a la red eléctrica. Las baterías recargables de zinc-aire se consideran buenas candidatas para el almacenamiento de energía de próxima generación porque tienen un gran impacto con una densidad de energía teórica ultra alta. Estas baterías extraen uno de sus principales reactivos, el oxígeno, del aire. No contienen compuestos tóxicos y se pueden reciclar, desechar de forma segura y recargar con zinc nuevo.

El obstáculo radica en un par de reacciones electroquímicas, la reacción de evolución de oxígeno (OER) y la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que tienen lugar en el cátodo de aire durante la carga y descarga de la batería.

"La cinética redox para ORR y OER es muy lenta y genera una polarización severa, una menor eficiencia energética y una vida útil de ciclo limitada de las baterías de zinc-aire recargables prácticas", dijo el autor del artículo Bo-Quan Li, profesor asociado en el Instituto de Tecnología de Beijing.

Para que las baterías de zinc-aire sean viables a gran escala, estas reacciones necesitan un impulso. Los metales nobles y los metales de transición (níquel, cobalto, manganeso y hierro) se pueden utilizar para catalizar la cinética ORR y OER, por ejemplo, acelerando la transferencia de electrones entre el electrodo y los reactivos. Estas técnicas funcionan, pero a un alto costo.

"Los electrocatalizadores a base de metales nobles demuestran una actividad electrocatalítica de última generación y sirven como puntos de referencia ampliamente aceptados", dijo Li. "Pero el alto costo, la escasez de tierra y la poca durabilidad dificultan sus aplicaciones prácticas a gran escala".

Como tal, la búsqueda continua de una opción libre de metales nobles de alto rendimiento que catalice tanto ORR como OER es de gran importancia para las baterías de zinc-aire recargables prácticas, dijo Li.

Estudios anteriores han demostrado que la incorporación de átomos de metales de transición en un sustrato de carbono conductor produce una alta actividad electrocatalítica debido a la eficiencia atómica, la estructura electrónica única y la diversidad en la estructura química. Pero, ¿qué metal funciona mejor tanto para ORR como para OER?

En su estudio, el equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Beijing, la Universidad de Tsinghua y la Universidad Normal de Harbin preguntan: ¿por qué elegir solo uno?

"Un solo tipo de sitio activo difícilmente puede promover la cinética de ORR y OER simultáneamente para proporcionar una actividad electrocatalítica bifuncional sobresaliente", dijo Li. "Componer diferentes sitios activos con la actividad electrocatalítica respectiva se ha verificado como una estrategia efectiva para lograr la multifuncionalidad".

El equipo de investigación combinó dos sitios de metales de transición atómicos, hierro atómico (Fe) y níquel atómico (Ni), e incrustó el compuesto sobre un sustrato de carbono dopado con nitrógeno (NC). Fe logró una alta actividad electrocatalítica en la reducción de oxígeno, mientras que Ni impulsó con éxito la evolución de oxígeno. Juntos, crearon electrocatalizadores de alta actividad en ambas reacciones.

"El electrocatalizador compuesto demostró una excelente actividad electrocatalítica bifuncional que supera al electrocatalizador basado en metales nobles y a la mayoría de los electrocatalizadores bifuncionales informados basados ​​en sitios activos análogos", dijo Li.

Los investigadores demostraron que las baterías recargables de zinc-aire equipadas con el electrocatalizador FeNi-NC lograron una alta densidad de potencia máxima, altas tasas de trabajo y una larga vida útil.

Además de aumentar de forma eficaz el rendimiento de la batería, el Fe y el Ni son alternativas escalables y rentables a los electrocatalizadores de oxígeno de metales nobles más caros y escasos en las baterías recargables de zinc-aire.

El equipo de investigación ahora está desarrollando técnicas para optimizar la configuración de los sitios de metales de transición atómica y promover la estabilidad del ciclo en condiciones de trabajo.

"El objetivo final es realizar baterías recargables de zinc-aire de alta tasa, alta capacidad y ciclos prolongados para aplicaciones prácticas", dijo Li.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa del Fondo de Investigación del Instituto de Tecnología de Beijing para Jóvenes Académicos, el Programa de Investigación Científica de la Iniciativa de la Universidad de Tsinghua y el Programa de Proyecto Abierto del Laboratorio Clave para Materiales de Banda Abierta Fotónica y Eléctrica, Ministerio de Educación. .

Otros colaboradores incluyen a Juan Wang y Jia-Qi Huang del Instituto de Tecnología de Beijing; Chang-Xin Zhao, Jia-Ning Liu, Ding Ren y Qiang Zhang de la Universidad de Tsinghua; y Xinzhi Ma de la Universidad Normal de Harbin.

Particuology (IF=3.251) es una revista interdisciplinaria que publica artículos de investigación de vanguardia y reseñas críticas sobre el descubrimiento, la formulación y la ingeniería de materiales, procesos y sistemas de partículas. Los temas son ampliamente relevantes para la producción de materiales, productos farmacéuticos y alimentos, la conversión de recursos energéticos y la protección del medio ambiente. Para obtener más información, visite: https://www.journals.elsevier.com/particuology.

particuología

10.1016/j.partic.2022.09.003

Estudio experimental

Composición de sitios de metales de transición atómica para electrocatálisis de oxígeno bifuncional de alto rendimiento en baterías recargables de zinc-aire

6-oct-2022

Descargo de responsabilidad: AAAS y Eurek Alert! no son responsables de la precisión de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.