Übergang

Partikuologie

Bild: Wissenschaftler des Beijing Institute of Technology, der Tsinghua University und der Harbin Normal University schlugen eine Strategie zum Aufbau atomarer Übergangsmetallstellen vor, um langsame elektrochemische Reaktionen – Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) – zu fördern, um eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen. wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer für praktische Anwendungen.mehr sehen

Bildnachweis: Bo-Quan Li, Beijing Institute of Technology

Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien, die durch Oxidation von Zink mit Luftsauerstoff betrieben werden, bieten eine effiziente und zugleich saubere und sichere Speichermöglichkeit für erneuerbare Energie. Die Batterieleistung wurde jedoch durch langsame elektrochemische Sauerstoffreaktionen beeinträchtigt, ein kritischer Engpass für die Skalierung und Kommerzialisierung.

In ihrer am 6. Oktober veröffentlichten StudiePartikuologiehat ein Forscherteam in China eine Strategie zur Verbesserung der Batterieleistung entwickelt, bei der Sauerstoffreaktionen durch die Kombination zweier Übergangsmetalle verstärkt werden, um eine hohe elektrokatalytische Aktivität zu erzielen.

Den meisten erneuerbaren Energiequellen, einschließlich Solarenergie, mangelt es an Langzeitstabilität und sie erfordern hocheffiziente Energiespeichersysteme zur Integration in das Stromnetz. Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien gelten als gute Kandidaten für die Energiespeicherung der nächsten Generation, da sie mit einer extrem hohen theoretischen Energiedichte überzeugen. Diese Batterien beziehen einen ihrer Hauptreaktanten, Sauerstoff, aus der Luft. Sie enthalten keine giftigen Verbindungen und können recycelt, sicher entsorgt und mit neuem Zink aufgeladen werden.

Die Hürde liegt in zwei elektrochemischen Reaktionen – der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) –, die während des Ladens und Entladens der Batterie an der Luftkathode stattfinden.

„Die Redoxkinetik für ORR und OER ist sehr träge und führt zu starker Polarisierung, verringerter Energieeffizienz und begrenzter Zyklenlebensdauer praktischer wiederaufladbarer Zink-Luft-Batterien“, sagte der Autor des Papiers Bo-Quan Li, außerordentlicher Professor am Beijing Institute of Technology.

Damit Zink-Luft-Batterien im großen Maßstab realisierbar sind, müssen diese Reaktionen angekurbelt werden. Edelmetalle und Übergangsmetalle (Nickel, Kobalt, Mangan und Eisen) können zur Katalyse der ORR- und OER-Kinetik verwendet werden, indem sie beispielsweise den Elektronentransfer zwischen Elektrode und Reaktanten beschleunigen. Diese Techniken funktionieren, sind jedoch mit hohen Kosten verbunden.

„Elektrokatalysatoren auf Edelmetallbasis weisen elektrokatalytische Aktivität auf dem neuesten Stand der Technik auf und dienen als weithin akzeptierte Benchmarks“, sagte Li. „Aber die hohen Kosten, die Knappheit der Erde und die geringe Haltbarkeit behindern ihre groß angelegte praktische Anwendung.“

Daher ist die laufende Suche nach einer leistungsstarken edelmetallfreien Option, die sowohl ORR als auch OER katalysiert, für praktische wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien von großer Bedeutung, sagte Li.

Frühere Studien haben gezeigt, dass die Einbettung von Übergangsmetallatomen in ein leitfähiges Kohlenstoffsubstrat aufgrund der atomaren Effizienz, der einzigartigen elektronischen Struktur und der Vielfalt der chemischen Struktur eine hohe elektrokatalytische Aktivität erzeugt. Aber welches Metall eignet sich am besten für ORR und OER?

In ihrer Studie stellt das Forschungsteam des Beijing Institute of Technology, der Tsinghua University und der Harbin Normal University die Frage: Warum nur eine auswählen?

„Eine einzige Art von aktivem Zentrum kann kaum gleichzeitig die ORR- und OER-Kinetik fördern und so eine herausragende bifunktionale elektrokatalytische Aktivität bereitstellen“, sagte Li. „Die Zusammenstellung verschiedener aktiver Zentren mit entsprechender elektrokatalytischer Aktivität hat sich als wirksame Strategie zur Realisierung von Multifunktionalität erwiesen.“

Das Forschungsteam kombinierte zwei atomare Übergangsmetallstellen – atomares Eisen (Fe) und atomares Nickel (Ni) – und bettete den Verbundstoff über einem stickstoffdotierten Kohlenstoffsubstrat (NC) ein. Fe erzielte eine hohe elektrokatalytische Aktivität bei der Sauerstoffreduktion, während Ni die Sauerstoffentwicklung erfolgreich steigerte. Gemeinsam realisierten sie in beiden Reaktionen hochaktive Elektrokatalysatoren.

„Der zusammengesetzte Elektrokatalysator zeigte eine hervorragende bifunktionelle elektrokatalytische Aktivität, die den Elektrokatalysator auf Edelmetallbasis und die meisten der gemeldeten bifunktionellen Elektrokatalysatoren auf Basis analoger aktiver Zentren übertrifft“, sagte Li.

Forscher zeigten, dass wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien, die mit dem FeNi-NC-Elektrokatalysator ausgestattet sind, eine hohe Spitzenleistungsdichte, hohe Arbeitsgeschwindigkeiten und eine lange Lebensdauer erreichen.

Fe und Ni steigern nicht nur effektiv die Batterieleistung, sondern sind auch kostengünstige, skalierbare Alternativen zu den teureren und selteneren Edelmetall-Sauerstoff-Elektrokatalysatoren in wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien.

Das Forschungsteam entwickelt derzeit Techniken, um die Konfiguration der atomaren Übergangsmetallstellen zu optimieren und die Zyklenstabilität unter Arbeitsbedingungen zu fördern.

„Das ultimative Ziel besteht darin, wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien mit hoher Geschwindigkeit, hoher Kapazität und langen Zyklen für praktische Anwendungen zu realisieren“, sagte Li.

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China, dem Beijing Institute of Technology Research Fund Program for Young Scholars, dem Tsinghua University Initiative Scientific Research Program und dem Open Project Program des Key Laboratory for Photonic and Electric Bandgap Materials des Bildungsministeriums unterstützt .

Weitere Mitwirkende sind Juan Wang und Jia-Qi Huang vom Beijing Institute of Technology; Chang-Xin Zhao, Jia-Ning Liu, Ding Ren und Qiang Zhang von der Tsinghua-Universität sowie Xinzhi Ma von der Harbin Normal University.

Particuology (IF=3.251) ist eine interdisziplinäre Zeitschrift, die Pionierforschungsartikel und kritische Rezensionen zur Entdeckung, Formulierung und Konstruktion partikulärer Materialien, Prozesse und Systeme veröffentlicht. Die Themen sind allgemein relevant für die Herstellung von Materialien, Arzneimitteln und Lebensmitteln, die Umwandlung von Energieressourcen und den Schutz der Umwelt. Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.journals.elsevier.com/particuology.

Partikuologie

10.1016/j.partic.2022.09.003

Experimentelle Studie

Aufbau atomarer Übergangsmetallzentren für die leistungsstarke bifunktionelle Sauerstoffelektrokatalyse in wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien

6. Okt. 2022

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