O composto de metal de transição oferece um custo

6 de outubro de 2022

por Particologia

As baterias recarregáveis ​​de zinco-ar, alimentadas pela oxidação do zinco com oxigênio do ar, oferecem uma opção de armazenamento eficiente para energia renovável que é limpa e segura. O desempenho da bateria, no entanto, foi prejudicado por reações eletroquímicas lentas de oxigênio, um gargalo crítico para dimensionamento e comercialização.

Em seu estudo publicado na Particuology, uma equipe de pesquisadores na China projetou uma estratégia para melhorar o desempenho da bateria que envolve aumentar as reações de oxigênio combinando dois metais de transição para fornecer alta atividade eletrocatalítica.

A maioria das fontes de energia renovável, incluindo a energia solar, carece de estabilidade a longo prazo e requer sistemas de armazenamento de energia altamente eficientes para integração com a rede elétrica. As baterias recarregáveis ​​de zinco-ar são consideradas boas candidatas para o armazenamento de energia da próxima geração, porque têm densidade de energia teórica ultraelevada. Essas baterias extraem um de seus principais reagentes, o oxigênio, do ar. Eles não contêm compostos tóxicos e podem ser reciclados, descartados com segurança e recarregados com zinco novo.

O obstáculo está em um par de reações eletroquímicas - reação de evolução do oxigênio (OER) e reação de redução do oxigênio (ORR) - que ocorrem no cátodo de ar durante a carga e descarga da bateria.

"A cinética redox para ORR e OER é altamente lenta e gera polarização severa, diminuição da eficiência energética e ciclo de vida limitado de baterias de zinco-ar recarregáveis ​​práticas", disse o autor do artigo Bo-Quan Li, professor associado do Instituto de Tecnologia de Pequim.

Para que as baterias de zinco-ar sejam viáveis ​​em larga escala, essas reações precisam de um impulso. Metais nobres e metais de transição (níquel, cobalto, manganês e ferro) podem ser usados ​​para catalisar a cinética ORR e OER, por exemplo, acelerando a transferência de elétrons entre o eletrodo e os reagentes. Essas técnicas funcionam, mas a um custo alto.

"Os eletrocatalisadores baseados em metais nobres demonstram atividade eletrocatalítica de última geração e servem como referências amplamente aceitas", disse Li. "Mas o alto custo, a escassez de terra e a baixa durabilidade impedem suas aplicações práticas em larga escala."

Como tal, a busca contínua por uma opção livre de metais nobres de alto desempenho que catalise ORR/OER é de grande importância para baterias de zinco-ar recarregáveis ​​práticas, disse Li.

Estudos anteriores mostraram que a incorporação de átomos de metais de transição em um substrato de carbono condutor produz alta atividade eletrocatalítica devido à eficiência atômica, estrutura eletrônica única e diversidade na estrutura química. Mas qual metal funciona melhor para ORR e OER?

Em seu estudo, a equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Pequim, da Universidade de Tsinghua e da Universidade Normal de Harbin pergunta: por que escolher apenas um?

"Um único tipo de sítio ativo dificilmente pode promover a cinética ORR e OER simultaneamente para fornecer excelente atividade eletrocatalítica bifuncional", disse Li. "A composição de diferentes locais ativos com a respectiva atividade eletrocatalítica foi verificada como uma estratégia eficaz para realizar a multifuncionalidade."

A equipe de pesquisa combinou dois locais de metal de transição atômica - ferro atômico (Fe) e níquel atômico (Ni) - e incorporou o composto sobre um substrato de carbono (NC) dopado com nitrogênio. O Fe alcançou alta atividade eletrocatalítica na redução do oxigênio, enquanto o Ni aumentou com sucesso a evolução do oxigênio. Juntos, eles criaram eletrocatalisadores altamente ativos em ambas as reações.

"O eletrocatalisador composto demonstrou excelente atividade eletrocatalítica bifuncional que supera o eletrocatalisador baseado em metal nobre e a maioria dos eletrocatalisadores bifuncionais relatados baseados em sítios ativos análogos", disse Li.