Wetenschap
Bifunctionele katalysator maakt krachtige batterijen mogelijk voor duurzame energieopslag
Zinknitraatbatterijen zijn een primair niet-oplaadbaar energieopslagsysteem dat gebruik maakt van het redoxpotentiaalverschil tussen zink- en nitraationen om elektrische energie op te slaan en vrij te geven. Een onderzoeksteam onder leiding van scheikundigen van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een krachtige oplaadbare zinknitraat/ethanolbatterij ontwikkeld door de introductie van een innovatieve katalysator.
Ze hebben met succes een efficiënte met tetrafenylporfyrine (tpp) gemodificeerde heterofase rhodium-koperlegering metalleen (RhCu M-tpp) ontworpen en gesynthetiseerd. Deze bifunctionele katalysator vertoont opmerkelijke capaciteiten in zowel de elektrokatalytische nitraatreductiereactie (NO3 RR) en ethanoloxidatiereactie (EOR) in een neutraal medium, waardoor de monofunctionele beperkingen van traditionele, op metaal gebaseerde vaste katalysatoren worden overwonnen en een waardevolle referentie wordt geboden voor het ontwerp van duurzame energieopslag in de toekomst.
"Deze studie benadrukt het belang van molecuul-metaalrelaiskatalyse voor efficiënte NH3 elektrosynthese in NO3 RR en biedt een multifunctioneel batterijprototype dat de voordelen laat zien van op metaal gebaseerde hybride elektrochemische systemen op het gebied van krachtige, duurzame energieopslag en -conversie”, zegt professor Fan Zhanxi, universitair docent bij de afdeling chemie van CityU, die het onderzoek leidde. waarbij het belang van de bevindingen wordt benadrukt.
Voortbouwend op het unieke karakter van de bevindingen legde Prof Fan uit dat de aldus verkregen RhCu M-tpp de uitdaging overwint van traditionele Cu-gebaseerde katalysatoren die een vrij negatief potentieel vereisen om nitraat efficiënt om te zetten in ammoniak bij het geleiden van NO3 RR in een neutraal medium. Bovendien, gebaseerd op de superieure bifunctionaliteit van het bereide RhCu M-tpp voor zowel NO3 RR en EOR, een oplaadbare Zn-nitraat/ethanol batterij, werd met succes gebouwd om de slechte oplaadbaarheid van traditionele galvanische zink-nitraatcellen aan te pakken.
Bovendien werd in dit werk een katalysemechanisme van molecuul-metaalrelais ontrafeld, waarbij nitraat eerst wordt gereduceerd tot nitriet op tpp, en vervolgens het zo gegenereerde nitriet wordt omgezet in ammoniak op metalen locaties. Dit bevestigde de haalbaarheid van moleculaire oppervlaktemodificatie voor het verbeteren van de elektrochemische prestaties van nanometalen voor NO3 R.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences .
De activiteit van kathodekatalysatoren is cruciaal voor de prestaties van zinknitraatbatterijen. Momenteel hebben gebruikte op koper gebaseerde katalysatoren echter beperkingen. Ze vereisen een zeer negatief toegepast potentieel en hebben een zwakke protonadsorptie, wat resulteert in een lage stroomdichtheid en ammoniakopbrengst. Bovendien zijn deze katalysatoren niet geschikt voor elektrokatalytische zuurstofontwikkelingsreacties (OER), wat leidt tot niet-oplaadbare batterijen en een slechte levensduur.
Om deze problemen aan te pakken heeft het onderzoeksteam ultradunne bimetaal RhCu-metallenen ontwikkeld om de energiebarrière voor koper te verminderen. Na vele pogingen ontdekten ze dat het modificeren van het oppervlak van RhCu-metallenen met een klein molecuul, tpp genaamd, de efficiëntie van de omzetting van nitraat in ammoniak aanzienlijk verbeterde zonder de prestaties van metallische substraten bij de oxidatie van ethanol in gevaar te brengen. Deze doorbraak kan dus de algehele prestaties van zinknitraatbatterijen verbeteren.
De onderzoeksresultaten bieden een effectieve oplossing voor het construeren van hoogwaardige, op zink gebaseerde hybride energiesystemen en bieden waardevolle inzichten voor toekomstig katalysatorontwerp van multifunctionele en milieuvriendelijke apparaten.