Forskere skaber den første metalfri katalysator til genopladelige zink-luft-batterier

Forskere fra Case Western Reserve University og University of North Texas har lavet, hvad de mener er den første metalfri bifunktionelle elektrokatalysator, der yder lige så godt eller bedre end de fleste metal- og metaloxidelektroder i zink-luft-batterier.

Zink-luft-batterier forventes at være sikrere, lettere, billigere og mere kraftfulde og holdbare end lithium-ion-batterier, der er almindelige i mobiltelefoner og bærbare computere og i stigende grad bruges i hybrid- og elbiler.

Denne kulstofbaserede katalysator virker effektivt i både oxygenreduktionsreaktionen og oxygenudviklingsreaktionen, gør batteriet genopladeligt. Katalysatoren er også billig, nemme at lave og mere økologiske end de fleste af de alternative materialer.

Forskningen er publiceret i online-udgaven af Natur nanoteknologi .

"Med batterier, omkostninger er altid et problem, og metalfrie katalysatorer kan reducere omkostningerne og samtidig forbedre ydeevnen, " sagde Liming Dai, professor i makromolekylær videnskab og teknik ved Case Western Reserve University og seniorforfatter af undersøgelsen. "Disse batterier kan bruges i computere, datastationer, til belysning – hvor som helst bruges batterier nu."

Dai arbejdede med Case Western Reserve postdoktor Jintao Zhang, som udførte eksperimentelt arbejde; og North Texas University's Zhenhai Xia, professor i materialevidenskab og teknik, og Zhenghang Zhao, en ph.d.-studerende, der udførte teoretiske simuleringer.

Zink-luft-batterier blander ilt fra luften med zink i en flydende alkalisk elektrolyt for at skabe en ladning. Batterierne kan have tre gange så meget energitæthed som lithium-ion-batterier, men har været træg. For at imødegå det problem, forskere søger forskellige katalysatormaterialer.

Denne katalysator er en stabil carbon aerogel, eller skum, med porer fra 2 til 50 nanometer i diameter, giver enormt overfladeareal og plads til, at batterielektrolytten kan diffundere.

Forskerne fulgte en skumfremstillingsprocedure udgivet af Stanford University-forskere i 2012. De polymeriserede molekyler af den organiske forbindelse anilin til lange kæder i en fytinsyreopløsning, derefter frysetørret den tredimensionelle hydrogel til en aerogel.

"Det, vi gjorde, er nyt, er carboniseret 3D-strukturen, ændre det til et grafitisk kulstofmateriale, " sagde Zhang.

At gøre det, forskerne opvarmede aerogelen til 1, 000 grader Celsius i fravær af ilt. Processen, kaldet pyrolyse, forårsagede en termokemisk reaktion, omdanne skummet til et grafitisk netværk, med mange grafenkanter, der viste sig at være afgørende for katalyse.

"Dette er en lavpris, et skridt, skalerbar proces, " sagde Dai. "Elektrokatalysatoren producerer sammenlignelige eller bedre resultater end dyrere materialer."

Anilinet tilfører, eller dopes, skummet med nitrogen, hvilket forstærker iltreduktionsreaktionen. Fytinsyre tilfører skummet fosfor. "Co-doping af nitrogen og fosfor øger både iltreduktionen og iltudviklingsreaktionerne, som bekræftet af de første princips beregninger", sagde Xia.

I sammenligninger, kulstofskummets ydeevne i en primær, eller ikke-genopladelige, batteri og et genopladeligt batteri matchede eller overgik det for dyre platin/metaloxid-baserede katalysatorer. Og, den havde bedre langtidsstabilitet.

Kulstofskummet matchede eller overgik også de fleste tidligere rapporterede metalfrie katalysatorer, selv nyligt udviklede kulstofbaserede katalysatorer med metaller.

Bevæger sig fremad, Dais team er begyndt at optimere processen yderligere, mens de også undersøger andre grafitiske kulstofmaterialer, der er co-doteret med forskellige elementer til mulig brug i andre energi- og miljøteknologier.

Dai's laboratorium har tidligere udviklet kulstofbaserede katalysatorer, der yder sammenlignelige eller bedre end dyrere metalbaserede katalysatorer, der bruges i alkaliske og sure brændselsceller og i farvesensibiliserede solceller.

"Måske er det på tide at presse på for metalfrie katalysatorer i kommercielle enheder, " sagde Dai.