Investigadores de la Universidad Case Western Reserve y la Universidad del Norte de Texas han creado lo que creen que es el primer electrocatalizador bifuncional sin metales que funciona tan bien o mejor que la mayoría de los electrodos de metal y óxido de metal en las baterías de zinc-aire.

Se espera que las baterías de zinc-aire sean más seguras, encendedor, más baratas, más potentes y duraderas que las baterías de iones de litio comunes en teléfonos móviles y computadoras portátiles y que se utilizan cada vez más en automóviles híbridos y eléctricos.

Este catalizador a base de carbono funciona de manera eficiente tanto en la reacción de reducción de oxígeno como en la reacción de desprendimiento de oxígeno, haciendo que la batería sea recargable. El catalizador también es económico, fácil de hacer y más ecológico que la mayoría de los materiales alternativos.

La investigación se publica en la edición en línea de Nanotecnología de la naturaleza .

"Con pilas, El costo es siempre un problema y los catalizadores sin metales pueden reducir el costo al tiempo que mejoran el rendimiento. "dijo Liming Dai, profesor de ciencia e ingeniería macromolecular en la Case Western Reserve University y autor principal del estudio. "Estas baterías podrían usarse en computadoras, estaciones de datos, para iluminación, en cualquier lugar donde se utilicen baterías ahora ".

Dai trabajó con el postdoctor de Case Western Reserve, Jintao Zhang, quién realizó trabajo experimental; y Zhenhai Xia de la Universidad del Norte de Texas, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y Zhenghang Zhao, un estudiante de doctorado, que realizó simulaciones teóricas.

Las baterías de zinc-aire mezclan oxígeno del aire con zinc en un electrolito alcalino líquido para crear una carga. Las baterías pueden tener tres veces la densidad de energía de las baterías de iones de litio, pero han sido lentos. Para contrarrestar ese problema, los investigadores buscan diferentes materiales catalizadores.

Este catalizador es un aerogel de carbono estable, o espuma, con poros de 2 a 50 nanómetros de diámetro, proporcionando una enorme superficie y espacio para que se difunda el electrolito de la batería.

Los investigadores siguieron un procedimiento de fabricación de espuma publicado por científicos de la Universidad de Stanford en 2012. Polimerizaron moléculas del compuesto orgánico anilina en cadenas largas en una solución de ácido fítico. luego liofilizó el hidrogel tridimensional en un aerogel.

"Lo nuevo que hicimos fue carbonizar la estructura 3-D, convirtiéndolo en un material de carbono grafítico, "Dijo Zhang.

Para hacer eso, los investigadores calentaron el aerogel a 1, 000 grados Celsius en ausencia de oxígeno. El proceso, llamado pirólisis, provocó una reacción termoquímica, convirtiendo la espuma en una red grafítica, con muchos bordes de grafeno que demostraron ser cruciales para la catálisis.

"Se trata de un Un paso, proceso escalable, "Dijo Dai." El electrocatalizador produce resultados comparables o mejores que los materiales más costosos ".

La anilina se infunde, o drogadictos, la espuma con nitrógeno, que mejora la reacción de reducción de oxígeno. El ácido fítico infunde fósforo en la espuma. "El codopaje de nitrógeno y fósforo mejora tanto la reducción de oxígeno como las reacciones de evolución de oxígeno, como lo confirman los cálculos de los primeros principios ", Dijo Xia.

En comparaciones, el rendimiento de la espuma de carbono en una primaria, o no recargable, La batería y una batería recargable igualaron o superaron a las de los costosos catalizadores a base de platino / óxido metálico. Y, tenía mejor estabilidad a largo plazo.

La espuma de carbono también igualó o superó a la mayoría de los catalizadores libres de metales reportados anteriormente, incluso catalizadores a base de carbono desarrollados recientemente con metales.

Avanzando El equipo de Dai ha comenzado a optimizar aún más el proceso al mismo tiempo que investiga otros materiales de carbono grafítico codopados con diferentes elementos para su posible uso en otras tecnologías energéticas y ambientales.

El laboratorio de Dai desarrolló previamente catalizadores a base de carbono que funcionan de manera comparable o mejor que los catalizadores a base de metales más costosos que se utilizan en pilas de combustible alcalinas y ácidas y en células solares sensibilizadas con colorante.

"Quizás es hora de impulsar catalizadores sin metales en dispositivos comerciales, "Dijo Dai.