Tre-lags nanopartikelkatalysatorer forbedrer zink-luft-batterier

Nanopartikler, der indeholder tre forskellige lag af materiale, kan hjælpe med at øge ydeevnen af ​​et zink-luft batteri, A*STAR-forskere har fundet.

Zink-luft-batterier er billige, har en høj energitæthed, og holder i meget lang tid. Deres brug af en vandbaseret elektrolyt gør dem mere sikre end andre batterier, så de findes ofte i medicinske applikationer, såsom høreapparater og hjerteovervågningsapparater.

Batteriets negative elektrode indeholder zinkmetal, som afgiver elektroner, når det reagerer med hydroxidioner i elektrolytten. Disse elektroner genererer en strøm, når de strømmer til den positive elektrode, hvor de reagerer med ilt fra luften for at producere flere hydroxidioner.

Den træge reaktion med ilt begrænser batteriets spændingsudgang og dets ydeevne ved høj strøm. At finde en katalysator til at fremskynde reaktionen kan give højere effekt- og energitætheder, åbning af en bredere vifte af potentielle applikationer.

Yun Zong og Zhaolin Liu fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har udviklet en nanopartikelkatalysator, der kunne passe til regningen. Partiklerne er 20-50 nanometer på tværs, med en koboltkerne omsluttet af en indre skal af koboltoxid, som er omgivet af en ydre skal af pyrolyseret polydopamin (PPD), en form for kulstof 'prikket' med nitrogenatomer. Disse nanopartikler er belagt på en porøs kulstofstøtte, der fungerer som en elektrode. Deres struktur hjælper med at forhindre dem i at udvaske kobolt eller klumpe sig sammen, og den beskyttende ydre skal gør også nanopartiklerne mere holdbare.

Disse tre-lags nanopartikler omdannede effektivt oxygen til hydroxid i et enkelt trin. Holdet foreslår, at nitrogenatomer i PPD-skallen hjælper med at tiltrække og gøre oxygenatomer mere reaktive på deres vej til katalytisk aktive steder i koboltoxidet og PPD. I mellemtiden koboltkernen og PPD-skallen hjælper elektroner med at strømme effektivt til iltatomerne. I modsætning, lignende partikler, der kun indeholder kobolt og koboltoxid, eller PPD alene, omdannet oxygen i en to-trins proces, der producerede hydroperoxid, et uønsket og ætsende mellemprodukt.

Forskerne testede deres elektrode i et zink-luft-batteri (se billede), og fandt ud af, at den kunne producere en strøm på fem milliampere pr. kvadratcentimeter elektrode ved 1,36 volt i fem dage, bedre end en elektrode, der var afhængig af en konventionel platinkatalysator.

"Den næste fase af denne forskning omfatter forenklingen af ​​den syntetiske rute for at lette syntese af nanopartikler i stor skala, og udnyttelse af andre katalytiske systemer efter den lignende strategi, " siger Zong.