Actualmente, la reacción de reducción de oxígeno (ORR) sufre de una cinética lenta y un alto sobrepotencial, lo que generalmente requiere costosos materiales basados ​​en platino (Pt). Catalizadores de un solo átomo de metal de transición (M–N–C), como Fe–N₄ y Co–N₄ con alta actividad ORR han sido explorados y considerados como los catalizadores más prometedores para reemplazar los metales preciosos. Sin embargo, la baja densidad del sitio activo y la gruesa capa de catalizador en el electrodo dificultaron en gran medida la transferencia de masa del electrodo. Se han adoptado varios métodos para resolver este problema, por ejemplo, utilizando una estructura porosa jerárquica y esferas de carbono ultrafinas como portadores.

Un equipo dirigido por el Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, the National Supercomputer Centers in Changsha, Hunan University) encontró que los catalizadores informados hasta ahora existen en forma de polvos nanoestructurados y requieren aglutinantes adicionales para formar la capa de catalizador, lo que reduce severamente la conductividad y la capacidad de transferencia de masa. Sigue siendo un gran desafío ensamblar el carbono poroso en una estructura integrada en 3D, y no existe un método simple y eficiente para preparar una estructura de poros controlable dentro de electrodos de área grande.

"Nos inspiramos en la estructura neuronal del cerebro del organismo y desarrollamos una estrategia eficiente para fabricar una estructura porosa flexible autosoportada con la alta densidad de sitios de un solo átomo de Fe co-dopados con B, F (Fe-SA-FPCS). Como Como se puede ver en la imagen, cada esfera de carbono poroso está conectada por varias fibras de carbono. Esta estructura es muy beneficiosa para el transporte de electrones y para construir la interfaz trifásica requerida para la reacción", dijo Wang.

Fe–SA–FPCS muestra un potencial de media onda ORR alto (0,89 V frente a RHE), muy superior al del 20 % de Pt/C (0,83 V frente a RHE). Cuando se usa directamente como electrodo en baterías líquidas de Zn-aire, Fe-SA-FPCS presenta una alta densidad de potencia de descarga de 168,4 mW·cm ^{− 2} y una durabilidad superior. La batería flexible de estado sólido ensamblada por Fe–SA–FPCS muestra una capacidad de carga y descarga estable a 1 mA cm ^{− 2} . El excelente rendimiento se deriva de la estructura jerárquica de los poros, la alta densidad de sitios activos y las redes conductoras. El equipo demostró que este protocolo sintético podría ser muy útil para la producción de materiales de electrodos prometedores en el futuro.

La investigación fue publicada en Science China Chemistry . + Explora más

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