Momenteel lijdt de zuurstofreductiereactie (ORR) aan trage kinetiek en hoge overpotentiaal, waarvoor gewoonlijk dure op platina (Pt) gebaseerde materialen nodig zijn. Overgangsmetaal katalysatoren met één atoom (M–N–C), zoals Fe–N₄ en Co–N₄ met een hoge ORR-activiteit zijn onderzocht en worden beschouwd als de meest veelbelovende katalysatoren voor het vervangen van edele metalen. De lage dichtheid van de actieve plaats en de dikke katalysatorlaag in de elektrode belemmerden echter de massaoverdracht van de elektrode in hoge mate. Er zijn verschillende methoden gebruikt om dit probleem op te lossen, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een hiërarchische poreuze structuur en ultradunne koolstofbolletjes als dragers.

Een team onder leiding van Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, de National Supercomputer Centres in Changsha, Hunan University) ontdekte dat de tot nu toe gerapporteerde katalysatoren bestaan ​​in de vorm van nanogestructureerde poeders en vereisen extra bindmiddelen om de katalysatorlaag te vormen, wat de geleidbaarheid en het vermogen tot massaoverdracht ernstig verminderde. Het blijft een grote uitdaging om de poreuze koolstof te assembleren tot een 3D-geïntegreerde structuur, en er is geen eenvoudige en efficiënte methode om een ​​controleerbare poriestructuur voor te bereiden in elektroden met een groot oppervlak.

"We zijn geïnspireerd door de neuronale structuur van de hersenen van het organisme en ontwikkelen een efficiënte strategie om een ​​zelfdragende flexibele poreuze structuur te fabriceren met de hoge dichtheid van B, F co-gedoteerde Fe single-atom sites (Fe-SA-FPCS). Zoals Zoals te zien is op de foto, is elke poreuze koolstofbol verbonden door verschillende koolstofvezels. Deze structuur is zeer gunstig voor het elektronentransport en voor het bouwen van de driefasige interface die nodig is voor de reactie, "zei Wang.

Fe-SA-FPCS vertoont een hoog ORR-halfgolfpotentieel (0,89 V vs. RHE), veel hoger dan die van 20% Pt/C (0,83 V vs. RHE). Bij direct gebruik als elektrode in vloeibare Zn-luchtbatterijen, vertoont Fe-SA-FPCS een hoge ontladingsvermogensdichtheid van 168,4 mW cm ^{− 2} en superieure duurzaamheid. De flexibele vaste-stofbatterij die door de Fe-SA-FPCS is samengesteld, vertoont een stabiel laad-ontlaadvermogen bij 1 mA cm ^{− 2} . De uitstekende prestaties komen voort uit de hiërarchische poriestructuur, hoge dichtheid van actieve sites en geleidende netwerken. Het team toonde aan dat dit synthetische protocol in de toekomst zeer nuttig kan zijn voor de productie van veelbelovende elektrodematerialen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science China Chemistry . + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen geïntegreerde elektroden voor flexibele supercondensatoren met hoge energiedichtheid