Wetenschap
Chainmail-katalysatoren:in koolstof ingekapselde FeNi-legeringen voor verbeterde zuurstofelektrokatalyse
De snelle groei van de mondiale vraag naar energie heeft geleid tot een enorme uitputting van traditionele fossiele brandstoffen en tot ernstige milieuproblemen. Er bestaat geen twijfel dat de ontwikkeling van efficiënte energieopslag- en conversietechnologieën een essentieel onderzoeksgebied is. Oplaadbare Zn-luchtbatterijen hebben grote onderzoeksinteresse gekregen vanwege hun hoge energiedichtheid, lage kosten, milieuvriendelijkheid en veiligheid.
De trage kinetische processen van luchtkathodes beperken echter de ontwikkeling van de Zn-luchtbatterijtechnologie, namelijk de zuurstofreductiereactie (ORR) tijdens ontlading en de zuurstofontwikkelingsreactie (OER) tijdens het opladen. Daarom zijn efficiënte elektrokatalysatoren nodig om deze twee reacties te bevorderen.
Normaal gesproken zijn op edelmetalen gebaseerde elektrokatalysatoren zoals platina (Pt) effectief voor ORR, terwijl ruthenium (Ru) en iridium (Ir) oxiden effectief zijn voor OER. De onbevredigende bifunctionele katalytische activiteit, de slechte stabiliteit, de lage overvloed en de hoge prijs van edelmetaalkatalysatoren belemmeren echter onvermijdelijk de praktische toepassing. Daarom blijft het ontwerpen van efficiënte en goedkope katalysatoren met bifunctionele katalytische activiteit voor ORR en OER een grote uitdaging.
De afgelopen tien jaar hebben onderzoekers geprobeerd bifunctionele elektrokatalysatoren te ontwikkelen zonder edele metalen, waaronder overgangsmetalen (Fe, Co, Ni en Mn), metaallegeringen, oxiden, nitriden, hydroxiden en fosfiden. Van deze chemicaliën hebben overgangsmetaallegeringen grote belangstelling getrokken vanwege hun lage prijs en hoge katalytische activiteit voor ORR en OER.
Uit diepgaande onderzoeken is gebleken dat op ijzer gebaseerde katalysatoren uitstekende katalytische activiteit voor ORR kunnen bieden, maar dat hun OER-katalytische prestaties slecht zijn, terwijl op nikkel gebaseerde katalysatoren uitstekende prestaties leveren op het gebied van OER. Er bestaat geen twijfel over dat de combinatie van Fe en Ni een verstandige keuze voor de constructie van efficiënte bifunctionele katalysatoren.
Elektrokatalysatoren van FeNi-legeringen met gelijktijdig goede ORR- en OER-katalytische activiteiten zijn zeer wenselijk. Er is enige vooruitgang in deze richting geboekt; de metalen onderdelen hebben echter nog steeds te kampen met onvoldoende duurzaamheid omdat herhaalde redoxreacties kunnen leiden tot het oplossen van metalen in waterige oplossingen.
Het balanceren van de katalytische activiteit en de duurzaamheid van gelegeerde elektrokatalysatoren is een van de grootste uitdagingen bij het bereiken van uitstekende prestaties. Om dit probleem aan te pakken, is een effectieve maliënkolderstrategie het construeren van een inkapselingsstructuur met koolstofmaterialen.
De chemische reactieomgeving, die doorgaans reagerende moleculen in een vloeibare oplossing, temperatuur en een verscheidenheid aan fysieke velden omvat, is als het slagveld waarop katalysatoren vechten. De gestabiliseerde koolstoflaag beschermt de interne metalen kern tegen de destructieve reactieomgeving.
Het wordt daarom figuurlijk omschreven als maliënkatalysatoren. De maliënkolder moet niet alleen een robuust materiaal zijn om de katalysator te scheiden en te beschermen tegen corrosieve omgevingen, maar moet ook in staat zijn katalytische activiteit over te brengen naar het buitenoppervlak, dat vervolgens deelneemt aan de katalytische reactie.
Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zhen Zhou van de Zhengzhou Universiteit, China, een veelbelovende maliënkatalysator ontworpen, genaamd FeNi@NC, bestaande uit ultradunne koolstofomhulsels waarin nanodeeltjes van FeNi-legeringen zijn ingekapseld op N-gedoteerde grafeenachtige nanoplaten. De sterke synergetische effecten tussen FeNi-legeringen en N-gedoteerde koolstofomhulsels resulteren in een uitstekende bifunctionele katalytische activiteit, vooral in alkalische media.
Bijgevolg vertonen Zn-luchtbatterijen met FeNi@NC als katalysator uitzonderlijke prestaties en werken ze betrouwbaar bij een hoge vermogensdichtheid met een langere levensduur. Bovendien leverden computationele analyses verdere bevestiging van de katalytische activiteit en onthulden dat de elektronenoverdracht van nanodeeltjes van FeNi-legeringen naar de koolstofschillen het koolstofoppervlak activeert, wat leidt tot verbeterde katalytische prestaties.
Dit onderzoek werpt niet alleen licht op het rationele ontwerp en de synthese van heteroatoom-gedoteerde koolstofmaterialen die de groeibeperkte overgangsmetaallegeringen ondersteunen, maar biedt ook een praktische oplossing voor het bevorderen van de toepassing van Zn-luchtbatterijen.
Het onderzoek is gepubliceerd in het Chinese Journal of Catalysis .