Impulsionando eco

13 de outubro de 2022

pela Universidade da Cidade de Hong Kong

A bateria de metal-dióxido de carbono é uma tecnologia promissora e ecológica, mas sua eficiência energética é limitada. Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada por químicos da City University of Hong Kong (CityU) descobriu uma maneira inovadora de superar esse problema, introduzindo um nanomaterial de fase não convencional como catalisador, aumentando a eficiência energética da bateria em até 83,8%. O estudo revela um novo projeto de catalisadores para a nova geração de baterias de metagás que podem contribuir para metas neutras em carbono.

A bateria de metal-dióxido de carbono pode fornecer eletricidade durável (alta densidade de energia) para eletrônicos e permitir a fixação de dióxido de carbono (CO2) sem consumo extra de energia de um circuito externo para converter emissões de gases de efeito estufa de CO2 em produtos de valor agregado. Em particular, a bateria de lítio-dióxido de carbono tem alta densidade de energia teórica (1876 Wh kg-1), tornando-a uma candidata promissora para a tecnologia de armazenamento e conversão de energia de alto desempenho da próxima geração.

No entanto, as baterias de metal-CO2 ainda sofrem com a cinética de reação lenta. Isso causa um grande sobrepotencial (ou seja, mais voltagem ou energia é necessária do que é teoricamente determinado para conduzir a reação de oxidação-redução que faz a bateria funcionar), baixa eficiência energética, baixa reversibilidade e estabilidade de ciclo limitada.

"Os pesquisadores geralmente consideram a morfologia, tamanho, constituintes e distribuição de componentes à base de metal em catalisadores de cátodo compostos como as principais preocupações que levam a diferenças no desempenho da bateria", disse o Dr. Fan Zhanxi, professor assistente no Departamento de Química da CityU, e um dos líderes do estudo. "Mas descobrimos que a preparação de novos catalisadores com fases não convencionais é uma estratégia viável e promissora para aumentar a eficiência energética e o desempenho das baterias metal-gás, especialmente porque as estratégias tradicionais de modificação de catalisadores encontraram obstáculos técnicos de longo prazo".

O Dr. Fan e sua equipe acumularam vasta experiência e conhecimento relacionados à regulação precisa da fase cristalina de nanomateriais à base de metal, o que lhes permitiu selecionar elementos adequados para construir suas fases não convencionais e, posteriormente, estudar o efeito da fase cristalina de catalisadores sobre a cinética de reação de um certo tipo de eletroquímica metal-gás aprótica (ou seja, não envolvendo íons de hidrogênio). "No entanto, isso não significa que este processo seja fácil de realizar porque envolve requisitos estritos sobre a bifuncionalidade dos catalisadores catódicos em um ambiente orgânico", explicou o Dr. Fan.

A equipe sintetizou nanoestruturas de irídio com uma heterofase não convencional 4H/cúbica centrada na face (fcc), controlando a cinética de crescimento do Ir em moldes de ouro (Au). Em seus experimentos, o catalisador com heterofase 4H/fcc demonstrou um platô de carga mais baixo (abaixo de 3,61 V) e maior eficiência energética de até 83,8% durante a ciclagem em baterias apróticas de Li-CO2 do que outros catalisadores à base de metal (comumente com potencial de carga superior a 3,8 V e eficiência energética de até 75%).

A combinação de experimentos e cálculos teóricos conduzidos pela equipe revelou que nanoestruturas 4H/fcc Ir criadas por meio de engenharia de fase são mais favoráveis ​​para a formação reversível de produtos de descarga amorfos/baixos cristalinos, diminuindo assim o sobrepotencial e promovendo a estabilidade cíclica de redox eletroquímico reações. As nanoestruturas incomuns de fase 4H/fcc Ir tiveram um desempenho muito melhor do que o fcc Ir comum e alcançaram excelente potencial de carga e eficiência energética em comparação com outros catalisadores à base de metal relatados usados ​​em baterias apróticas de Li-CO2.

"Este estudo revela o grande potencial da engenharia de fase de catalisadores na eletroquímica metal-gás. Ele abre uma nova direção para projetar catalisadores para o desenvolvimento de sistemas sustentáveis ​​de conversão e armazenamento de energia eletroquímica", concluiu o Dr. Fan.