Nyt materiale til at overgå traditionelle oxygenreduktionsreaktionskatalysatorer

En forskergruppe ledet af prof. YANG Minghui ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) under det kinesiske videnskabsakademi (CAS) opdagede, at zirconiumnitrid (ZrN) katalysatorer kunne være et overlegent alternativ til dyre platin (Pt) katalysatorer til iltreduktion. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturmaterialer .

De fleste elektrokemiske energienheder, som brændselsceller og metal-luft-batterier, har brug for katalysatorer for at øge strømmen til acceptable hastigheder. Oxygenreduktionsreaktion (ORR) er en af ​​de mest fundamentale reaktioner involveret i elektrokemiske energianordninger, hvilket i høj grad har påvirket strømforsyningen fra enheder.

Pt er i øjeblikket den mest udbredte og kommercielle ORR-katalysator. Imidlertid, det er et næppe tilgængeligt metal (37 ppb i jordskorpen) med høje omkostninger (US$28,3 g-1 som gennemsnitsprisen for 2018), hvilket begrænser anvendelsen af ​​elektrokemisk energiudstyr i stor skala.

For at løse dette problem, forskergruppen brugte en urea-glas-rute ved moderate temperaturer til at fremstille ZrN-nanopartikler (NP'er), som kunne erstatte og endda overgå den dyre Pt som en katalysator for oxygenreduktion under alkaliske forhold.

Som-syntetiserede ZrN NP'er viste en høj oxygenreduktionsydelse med samme aktivitet som den traditionelle Pt-on-carbon (Pt/C) kommercielle katalysator. Desuden, i 0,1 M KOH opløsninger, begge materialer viste det samme halvbølgepotentiale (E1/2 =0,80 V), og ZrN udviste en højere stabilitet (ΔE1/2 =-3 mV) end Pt/C-katalysatoren (ΔE1/2 =-39 mV) efter 1, 000 ORR-cyklusser. Udover, ZrN leverede en større effekttæthed og cyklerbarhed end Pt/C i et zink-luft-batteri.

Det ser ud til, at ZrN er en fremragende co-katalysator, fordi den kombinerer fremragende egenskaber til lave omkostninger, høj aktivitet og overlegen stabilitet, drage fordel af at fremme storstilede anvendelser af elektrokemisk energiomdannelse.

I øvrigt, dette arbejde kan kaste lys over de yderligere undersøgelser af omkostningseffektive og effektive nitridkatalysatorer, og bane vejen for omfattende brug af ren energi.