Chainmail-katalysatorer:Carbon-indkapslede FeNi-legeringer til forbedret oxygenelektrokatalyse

Hurtig vækst i den globale energiefterspørgsel har forårsaget massiv udtømning af traditionelle fossile brændstoffer og alvorlige miljøproblemer, og der er ingen tvivl om, at udvikling af effektive energilagrings- og konverteringsteknologier er et væsentligt forskningsfelt. Genopladelige Zn-luft-batterier har tiltrukket sig stor forskningsinteresse på grund af deres høje energitæthed, lave omkostninger, miljøvenlighed og sikkerhed.

Luftkatoders træge kinetiske processer begrænser imidlertid udviklingen af ​​Zn-luft batteriteknologi, nemlig iltreduktionsreaktionen (ORR) under afladning og iltudviklingsreaktionen (OER) under opladning. Derfor kræves effektive elektrokatalysatorer for at fremme disse to reaktioner.

Typisk er ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer såsom platin (Pt) effektive til ORR, mens ruthenium (Ru) og iridium (Ir) oxider er effektive til OER. Den utilfredsstillende bifunktionelle katalytiske aktivitet, dårlige stabilitet, lave mængder og høje priser på ædelmetalkatalysatorer hindrer imidlertid uundgåeligt den praktiske anvendelse. Derfor er det fortsat en stor udfordring at designe effektive og billige katalysatorer med bifunktionel katalytisk aktivitet til ORR og OER.

I løbet af det seneste årti har forskere søgt at udvikle bifunktionelle elektrokatalysatorer uden ædelmetaller, herunder overgangsmetaller (Fe, Co, Ni og Mn), metallegeringer, oxider, nitrider, hydroxider og fosphider. Blandt disse kemikalier har overgangsmetallegeringer tiltrukket sig stor interesse på grund af deres lave pris og høje katalytiske aktivitet for ORR og OER.

Dybdegående undersøgelser har vist, at jernbaserede katalysatorer kan give fremragende katalytisk aktivitet for ORR, men deres OER-katalytiske ydeevne er dårlig, mens nikkelbaserede katalysatorer har enestående ydeevne i OER, og der er ingen tvivl om, at kombinationen af ​​Fe og Ni er et klogt valg til konstruktion af effektive bifunktionelle katalysatorer.

FeNi-legeringselektrokatalysatorer med gode ORR- og OER-katalytiske aktiviteter samtidigt er yderst ønskelige. Der er sket nogle fremskridt i denne retning; metaldelene lider dog stadig af utilstrækkelig holdbarhed, fordi gentagne redoxreaktioner kan føre til metalopløsning i vandige opløsninger.

Afbalancering af katalytisk aktivitet og holdbarhed af legerede elektrokatalysatorer er en af ​​de største udfordringer for at opnå fremragende ydeevne. For at løse dette problem er en effektiv kædepoststrategi at konstruere en indkapslingsstruktur med kulstofmaterialer.

Det kemiske reaktionsmiljø, som typisk omfatter reagerende molekyler i en flydende opløsning, temperatur og en række fysiske felter, er som slagmarken, hvor katalysatorer kæmper. Det stabiliserede kulstoflag beskytter den indre metalkerne mod det ødelæggende reaktionsmiljø.

Det er derfor billedligt beskrevet som ringbrynjekatalysatorer. Ringbrynjen skal ikke kun være et robust materiale til at adskille og beskytte katalysatoren mod ætsende miljøer, men bør også være i stand til at overføre katalytisk aktivitet til dens ydre overflade, som derefter deltager i den katalytiske reaktion.

For nylig designede et forskerhold ledet af prof. Zhen Zhou fra Zhengzhou University, Kina, en meget lovende kædepostkatalysator ved navn FeNi@NC, bestående af ultratynde kulstofskaller, der indkapsler FeNi legerede nanopartikler på N-dopet grafenlignende nanoplader. De stærke synergistiske virkninger mellem FeNi-legeringer og N-doterede kulstofskaller resulterer i enestående bifunktionel katalytisk aktivitet, især i alkaliske medier.

Som følge heraf demonstrerer Zn-luft-batterier, der inkorporerer FeNi@NC som katalysator, enestående ydeevne, der fungerer pålideligt ved høj effekttæthed med forlænget levetid. Desuden gav beregningsmæssige analyser yderligere bekræftelse af den katalytiske aktivitet og afslørede, at elektronoverførslen fra FeNi-legeringsnanopartikler til kulstofskallerne aktiverer kulstofoverfladen, hvilket fører til forbedret katalytisk ydeevne.

Denne forskning kaster ikke kun lys over det rationelle design og syntese af heteroatom-doterede kulstofmaterialer, der understøtter de vækstbegrænsede overgangsmetallegeringer, men tilbyder også en praktisk løsning til at fremme anvendelsen af ​​Zn-luft-batterier.

Forskningen er offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Flere oplysninger: Yibo Guo et al., Revolutionizing Zn-Air-batterier med ringbrynjekatalysatorer:Ultratynde kulstofindkapslede FeNi-legeringer på N-doteret grafen til forbedret oxygenelektrokatalyse, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64603-0

Leveret af Chinese Academy of Sciences