Bifunktionel katalysator muliggør højtydende batterier til bæredygtig energilagring

Zink-nitrat-batterier er et primært ikke-genopladeligt energilagringssystem, der udnytter redoxpotentialforskellen mellem zink- og nitrat-ioner til at lagre og frigive elektrisk energi. Et forskerhold ledet af kemikere fra City University of Hong Kong (CityU) har udviklet et højtydende genopladeligt zink-nitrat/ethanol-batteri ved at introducere en innovativ katalysator.

De har med succes designet og syntetiseret en effektiv tetraphenylporphyrin (tpp) modificeret heterofase rhodium-kobber legering metallen (RhCu M-tpp). Denne bifunktionelle katalysator udviser bemærkelsesværdige egenskaber i både den elektrokatalytiske nitratreduktionsreaktion (NO₃ RR) og ethanoloxidationsreaktion (EOR) i et neutralt medium, der overvinder de monofunktionelle begrænsninger ved traditionelle metalbaserede faste katalysatorer og giver en værdifuld reference til design af bæredygtig energilagring i fremtiden.

"Denne undersøgelse fremhæver betydningen af ​​molekyle-metal relækatalyse for effektiv NH₃ elektrosyntese i NO₃ RR og tilbyder en multifunktionel batteriprototype, der viser fordelene ved metalbaserede hybride elektrokemiske systemer på højtydende, bæredygtig energilagring og konvertering," sagde professor Fan Zhanxi, adjunkt ved Institut for Kemi ved CityU, der ledede undersøgelsen, fremhæver betydningen af ​​resultaterne.

Prof Fan forklarede det unikke ved resultaterne og forklarede, at den opnåede RhCu M-tpp overvinder udfordringen med traditionelle Cu-baserede katalysatorer, der kræver et ret negativt potentiale for effektivt at omdanne nitrat til ammoniak, når de udfører NO₃ RR i et neutralt medium. Desuden baseret på den overlegne bifunktionalitet af som-forberedt RhCu M-tpp for både NO₃ RR og EOR, et genopladeligt Zn-nitrat/ethanol-batteri blev med succes konstrueret til at afhjælpe den dårlige genopladelighed af traditionelle zink-nitrat galvaniske celler.

Derudover blev en molekyle-metal relæ-katalysemekanisme afsløret i dette arbejde, hvorved nitrat først reduceres til nitrit på tpp, og derefter omdannes det som genererede nitrit til ammoniak på metalliske steder. Dette bekræftede gennemførligheden af ​​molekylær overflademodifikation for at forbedre den elektrokemiske ydeevne af nanometaller for NO₃ RR.

Artiklen er offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Aktiviteten af ​​katodekatalysatorer er afgørende for ydeevnen af ​​zink-nitrat-batterier. Men i øjeblikket har brugte kobberbaserede katalysatorer begrænsninger. De kræver meget negativt påført potentiale og har svag protonadsorption, hvilket resulterer i lav strømtæthed og ammoniakudbytte. Derudover er disse katalysatorer ikke egnede til elektrokatalytisk oxygenudviklingsreaktion (OER), hvilket fører til ikke-genopladelige batterier og dårlig cykluslevetid.

For at løse disse problemer udviklede forskerholdet ultratynde bimetalliske RhCu-metallener for at reducere energibarrieren for kobber. Efter mange forsøg opdagede de, at ændring af overfladen af ​​RhCu metallener med et lille molekyle, kaldet tpp, forbedrede effektiviteten af ​​nitratkonvertering til ammoniak markant uden at kompromittere ydeevnen af ​​metalliske substrater i ethanoloxidation. Dette gennembrud kan således forbedre den overordnede ydeevne af zink-nitrat-batterier.

Forskningsresultaterne tilbyder en effektiv løsning til at konstruere højtydende, zinkbaserede hybridenergisystemer og giver værdifuld indsigt til fremtidigt katalysatordesign af multifunktionelle og miljøvenlige enheder.

Flere oplysninger: Jingwen Zhou et al, Konstruktion af molekyle-metal-relækatalyse over heterofasemetallen til højtydende genopladelige zink-nitrat/ethanol-batterier, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2311149120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af City University of Hong Kong