Onderzoekers van Case Western Reserve University en de University of North Texas hebben volgens hen de eerste metaalvrije bifunctionele elektrokatalysator gemaakt die net zo goed of beter presteert dan de meeste metaal- en metaaloxide-elektroden in zink-luchtbatterijen.

Zink-luchtbatterijen zijn naar verwachting veiliger, aansteker, goedkoper, krachtiger en duurzamer dan lithium-ionbatterijen die veel voorkomen in mobiele telefoons en laptops en die steeds vaker worden gebruikt in hybride en elektrische auto's.

Deze op koolstof gebaseerde katalysator werkt efficiënt in zowel de zuurstofreductiereactie als de zuurstofontwikkelingsreactie, waardoor de batterij oplaadbaar is. De katalysator is ook goedkoop, makkelijk te maken en ecologischer dan de meeste alternatieve materialen.

Het onderzoek is gepubliceerd in de online editie van Natuur Nanotechnologie .

"Met batterijen, kosten zijn altijd een probleem en metaalvrije katalysatoren kunnen de kosten verlagen en tegelijkertijd de prestaties verbeteren, " zei Liming Dai, hoogleraar macromoleculaire wetenschap en techniek aan de Case Western Reserve University en senior auteur van de studie. "Deze batterijen kunnen worden gebruikt in computers, datastations, voor verlichting - overal worden nu batterijen gebruikt."

Dai werkte samen met Case Western Reserve-postdoctor Jintao Zhang, die experimenteel werk hebben verricht; en Zhenhai Xia van de North Texas University, hoogleraar materiaalkunde en techniek, en Zhenghang Zhao, een promovendus, die theoretische simulaties uitvoerde.

Zink-luchtbatterijen mengen zuurstof uit de lucht met zink in een vloeibare alkalische elektrolyt om een ​​lading te creëren. De batterijen kunnen drie keer de energiedichtheid hebben van lithium-ionbatterijen, maar zijn traag geweest. Om dat probleem tegen te gaan, onderzoekers zijn op zoek naar verschillende katalysatormaterialen.

Deze katalysator is een stabiele koolstofaerogel, of schuim, met poriën met een diameter van 2 tot 50 nanometer, biedt een enorm oppervlak en ruimte voor de batterij-elektrolyt om te diffunderen.

De onderzoekers volgden een procedure voor het maken van schuim, gepubliceerd door wetenschappers van Stanford University in 2012. Ze polymeriseerden moleculen van de organische verbinding aniline tot lange ketens in een fytinezuuroplossing, vervolgens gevriesdroogd de driedimensionale hydrogel in een aerogel.

"Wat we deden dat nieuw is, is de 3D-structuur verkoold, het veranderen in een grafiet koolstofmateriaal, ' zei Zhang.

Om dat te doen, de onderzoekers verwarmden de aerogel tot 1, 000 graden Celsius in afwezigheid van zuurstof. Het proces, pyrolyse genoemd, veroorzaakte een thermochemische reactie, het schuim veranderen in een grafisch netwerk, met veel grafeenranden die cruciaal bleken te zijn voor katalyse.

"Dit is een goedkope, een stap, schaalbaar proces, " zei Dai. "De elektrokatalysator produceert vergelijkbare of betere resultaten dan duurdere materialen."

De aniline infuseert, of drugs, het schuim met stikstof, die de zuurstofreductiereactie verbetert. Fytinezuur doordrenkt het schuim met fosfor. "De co-doping van stikstof en fosfor verbetert zowel de zuurstofreductie als de zuurstofontwikkelingsreacties, zoals bevestigd door de eerste-principeberekeningen", zei Xia.

Bij vergelijkingen, de prestaties van het koolstofschuim in een primaire, of niet-oplaadbaar, batterij en een oplaadbare batterij evenaarde of overtrof die van dure platina/metaaloxide-gebaseerde katalysatoren. En, het had een betere stabiliteit op lange termijn.

Het koolstofschuim kwam ook overeen met of overtrof de meeste eerder gerapporteerde metaalvrije katalysatoren, zelfs recent ontwikkelde op koolstof gebaseerde katalysatoren met metalen.

Vooruit gaan, Dai's team is begonnen met het verder optimaliseren van het proces, terwijl het ook andere grafiet-koolstofmaterialen onderzoekt die samen met verschillende elementen zijn gedoteerd voor mogelijk gebruik in andere energie- en milieutechnologieën.

Het laboratorium van Dai ontwikkelde eerder op koolstof gebaseerde katalysatoren die vergelijkbaar of beter presteren dan duurdere op metaal gebaseerde katalysatoren die worden gebruikt in alkalische en zure brandstofcellen en in kleurstofgevoelige zonnecellen.

"Misschien is het tijd om aan te dringen op metaalvrije katalysatoren in commerciële apparaten, ' zei Dai.