Fremstilling af åbne mesoporøse carbon nanofibre til fleksible og bærbare strømkilder

Med den nyligt stigende udvikling af letvægts, transportabel, fleksibel og bærbar elektronik til sundheds- og biomedicinsk udstyr, der er et presserende behov for at udforske nye strømkilder med højere fleksibilitet og menneskelig/væv-tilpasningsevne. Nu, forskere har konstrueret næste generation af metal-luft-batterier, som let kan fremstilles til fleksible og armbåndslignende celler. Selvom de kræver yderligere udvikling, før de er klar til markedet, nuværende undersøgelser har etableret solide beviser for, at disse enheder kan give enorme muligheder for den næste generation af fleksible, bærbare og biotilpasselige strømkilder.

"Teoretisk set, neutrale elektrolytbaserede Mg-luft-batterier har potentielle fordele i biomedicinske anvendelser i forhold til andre alkalisk-baserede metal-luft-modstykker, " siger Dr. Chong Cheng, en AvH-forsker og en specialist i kulstofnanomaterialer ved Institut for Kemi i Freie Universität Berlin (Tyskland). Imidlertid, den konventionelle anvendelse af Mg-luft-batterier stod over for flere udfordringer, en af ​​dem er den træge kinetik af oxygenreduktionsreaktionen (ORR) i luftkatoden. I øjeblikket, det rationelle design af avancerede oxygenelektroder til Mg-luft-batterier med høj afladningsspænding og kapacitet under neutrale forhold er stadig en stor udfordring. Indtil nu, forskere har ikke indset den skalerbare syntese af kulstofbaseret oxygenelektrokatalysator integreret med høj ORR katalytisk aktivitet, åbne mesoporøse og indbyrdes forbundne strukturer, og 3-D porøse kanaler til luftkatoden.

For at overvinde den nuværende begrænsning af træg reaktionskinetik af luftkatoder i Mg-luft-batterier, Dr. Chong Cheng ved Freie Universität i Berlin og Dr. Shuang Li ved Technische Universität Berlin opnåede skalerbar syntese af atomær Fe-Nx koblet til åbne-mesoporøse N-dopet kulstof nanofibre som avanceret oxygenelektrode til Mg-luft-batterier.

"Inspireret af bufo-spawns fibrøse strengstrukturer, vi designede en ny fremstillingsstrategi baseret på elektrospinning af polyacrylonitril-forgrenet silica nanoaggregater-opløsning og en sekundær belægning og karbonisering af Fe-dopede zeolitiske imidazolatrammer tyndt lag, som giver de fremstillede carbon nanofibre en åben mesoporøs struktur og homogent koblede atomare Fe-Nx katalytiske steder, " sagde forskerne.

Den opnåede iltelektrokatalysator og den tilsvarende konstruerede luftkatode viser mangfoldige fordele, som omfatter indbyrdes forbundne strukturer og 3-D hierarkisk porøse netværk til ioner/luftdiffusion, god biotilpasning, og høje ilt elektrokatalytiske præstationer for både alkaliske og neutrale elektrolytter. Mest vigtigt, de samlede Mg-luft-batterier med neutrale elektrolytter afslører høj åben kredsløbsspænding, stabile afladningsspændingsplateauer, høj kapacitet, lang levetid, og god fleksibilitet.

Mg-air-batterier er endnu ikke klar til kommercielt elektronisk og biomedicinsk udstyr, men den fremtid kommer lidt tættere på. "Vi tror på, at denne nye iltelektrode kan imødekomme udfordringerne og presserende behov for effektive luftkatoder i Mg-luft-batterier med neutrale elektrolytter, men der mangler stadig mere arbejde, "siger prof. Rainer Haag.