Sin embargo, los lentos procesos cinéticos de los cátodos de aire limitan el desarrollo de la tecnología de baterías de Zn-aire, es decir, la reacción de reducción de oxígeno (ORR) durante la descarga y la reacción de evolución de oxígeno (OER) durante la carga. Por lo tanto, se requieren electrocatalizadores eficientes para promover estas dos reacciones.
Normalmente, los electrocatalizadores a base de metales nobles, como el platino (Pt), son eficaces para la ORR, mientras que los óxidos de rutenio (Ru) e iridio (Ir) son eficaces para la REA. Sin embargo, la insatisfactoria actividad catalítica bifuncional, la escasa estabilidad, la escasa abundancia y el alto precio de los catalizadores de metales nobles obstaculizan inevitablemente la aplicación práctica. Por lo tanto, diseñar catalizadores eficientes y económicos con actividad catalítica bifuncional para ORR y REA sigue siendo un gran desafío.
Durante la última década, los investigadores han buscado desarrollar electrocatalizadores bifuncionales sin metales nobles, incluidos metales de transición (Fe, Co, Ni y Mn), aleaciones metálicas, óxidos, nitruros, hidróxidos y fosfuros. Entre estos productos químicos, las aleaciones de metales de transición han atraído un gran interés debido a su bajo precio y su alta actividad catalítica para ORR y OER.
Estudios en profundidad han demostrado que los catalizadores a base de hierro pueden proporcionar una excelente actividad catalítica para ORR, pero su rendimiento catalítico en REA es pobre, mientras que los catalizadores a base de níquel tienen un rendimiento sobresaliente en REA, y no hay duda de que la combinación de Fe y Ni es una elección acertada para la construcción de catalizadores bifuncionales eficientes.
Son muy deseables los electrocatalizadores de aleación de FeNi con buenas actividades catalíticas ORR y OER simultáneamente. Ha habido algunos avances en esta dirección; sin embargo, las piezas metálicas aún adolecen de una durabilidad insuficiente porque las reacciones redox repetidas pueden provocar la disolución del metal en soluciones acuosas.
Equilibrar la actividad catalítica y la durabilidad de los electrocatalizadores de aleación es uno de los principales desafíos para lograr un rendimiento excelente. Para abordar este problema, una estrategia eficaz de cota de malla es construir una estructura de encapsulación con materiales de carbono.
El entorno de reacción química, que normalmente incluye la reacción de moléculas en una solución líquida, la temperatura y una variedad de campos físicos, es como el campo de batalla en el que luchan los catalizadores. La capa de carbono estabilizada protege el núcleo metálico interno del entorno de reacción destructivo.
Por lo tanto, se los describe en sentido figurado como catalizadores de cota de malla. La cota de malla no sólo debe ser un material robusto para separar y proteger el catalizador de ambientes corrosivos, sino que también debe poder transferir la actividad catalítica a su superficie exterior, que luego participa en la reacción catalítica.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Zhen Zhou de la Universidad de Zhengzhou, China, diseñó un catalizador de cota de malla muy prometedor llamado FeNi@NC, que comprende capas de carbono ultrafinas que encapsulan nanopartículas de aleación de FeNi en nanohojas similares a grafeno dopadas con N. Los fuertes efectos sinérgicos entre las aleaciones de FeNi y las carcasas de carbono dopadas con N dan como resultado una excelente actividad catalítica bifuncional, particularmente en medios alcalinos.
En consecuencia, las baterías de Zn-aire que incorporan FeNi@NC como catalizador demuestran un rendimiento excepcional, funcionando de manera confiable a una alta densidad de potencia con una vida útil prolongada. Además, los análisis computacionales proporcionaron una confirmación adicional de la actividad catalítica y revelaron que la transferencia de electrones desde las nanopartículas de aleación de FeNi a las capas de carbono activa la superficie del carbono, lo que conduce a un rendimiento catalítico mejorado.
Esta investigación no solo arroja luz sobre el diseño racional y la síntesis de materiales de carbono dopados con heteroátomos que soportan las aleaciones de metales de transición de crecimiento limitado, sino que también ofrece una solución práctica para avanzar en la aplicación de baterías de Zn-aire.
La investigación se publica en el Chinese Journal of Catalysis .
Más información: Yibo Guo et al, Revolucionando las baterías de Zn-Aire con catalizadores de cota de malla:aleaciones de FeNi ultrafinas encapsuladas en carbono sobre grafeno dopado con N para electrocatálisis de oxígeno mejorada, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64603-0
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
