Переход

Партикуология

Изображение: Ученые из Пекинского технологического института, Университета Цинхуа и Харбинского педагогического университета предложили стратегию составления атомных узлов переходных металлов для стимулирования вялых электрохимических реакций — реакции выделения кислорода (OER) и реакции восстановления кислорода (ORR) — для достижения высокой скорости, Воздушно-цинковые аккумуляторы большой емкости и длительного цикла зарядки для практического применения.посмотреть больше

Фото: Бо-Цюань Ли, Пекинский технологический институт.

Воздушно-цинковые аккумуляторные батареи, работающие за счет окисления цинка кислородом воздуха, предлагают эффективный вариант хранения возобновляемой энергии, который является одновременно чистым и безопасным. Однако производительность аккумуляторов снижается из-за медленных электрохимических реакций с кислородом, что является критическим препятствием для масштабирования и коммерциализации.

В своем исследовании, опубликованном 6 октября вПартикуологияГруппа исследователей из Китая разработала стратегию улучшения производительности аккумуляторов, которая включает в себя усиление реакции кислорода путем объединения двух переходных металлов для обеспечения высокой электрокаталитической активности.

Большинству возобновляемых источников энергии, включая солнечную энергию, не хватает долгосрочной стабильности, и для интеграции с электрической сетью требуются высокоэффективные системы хранения энергии. Воздушно-цинковые аккумуляторы считаются хорошими кандидатами для хранения энергии следующего поколения, поскольку они обладают сверхвысокой теоретической плотностью энергии. Эти батареи извлекают один из своих основных реагентов, кислород, из воздуха. Они не содержат токсичных соединений и могут быть переработаны, безопасно утилизированы и заправлены новым цинком.

Препятствием является пара электрохимических реакций — реакция выделения кислорода (OER) и реакция восстановления кислорода (ORR), — которые происходят на воздушном катоде во время зарядки и разрядки аккумулятора.

«Окислительно-восстановительная кинетика для ORR и OER очень медленная и приводит к сильной поляризации, снижению энергоэффективности и ограниченному сроку службы практических перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей», — сказал автор статьи Бо-Цюань Ли, доцент Пекинского технологического института.

Чтобы воздушно-цинковые батареи были жизнеспособными в больших масштабах, эти реакции нуждаются в ускорении. Благородные и переходные металлы (никель, кобальт, марганец и железо) можно использовать для катализа кинетики ORR и OER, например, ускоряя перенос электронов между электродом и реагентами. Эти методы работают, но стоят дорого.

«Электрокатализаторы на основе благородных металлов демонстрируют современную электрокаталитическую активность и служат широко признанными эталонами», — сказал Ли. «Но высокая стоимость, нехватка земли и низкая долговечность препятствуют их широкомасштабному практическому применению».

Таким образом, продолжающийся поиск высокопроизводительного варианта, не содержащего благородных металлов, который катализирует как ORR, так и OER, имеет большое значение для практических перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей, сказал Ли.

Предыдущие исследования показали, что внедрение атомов переходных металлов в проводящую углеродную подложку приводит к высокой электрокаталитической активности благодаря атомной эффективности, уникальной электронной структуре и разнообразию химической структуры. Но какой металл лучше всего подходит как для ORR, так и для OER?

В своем исследовании исследовательская группа из Пекинского технологического института, Университета Цинхуа и Харбинского педагогического университета задается вопросом: почему стоит выбрать только один?

«Один тип активного центра вряд ли может одновременно стимулировать кинетику ORR и OER, обеспечивая выдающуюся бифункциональную электрокаталитическую активность», — сказал Ли. «Составление различных активных центров с соответствующей электрокаталитической активностью было проверено как эффективная стратегия реализации многофункциональности».

Исследовательская группа объединила два атомных центра переходных металлов — атомарное железо (Fe) и атомарный никель (Ni) — и внедрила композит на подложку из легированного азотом углерода (NC). Fe достиг высокой электрокаталитической активности при восстановлении кислорода, а Ni успешно увеличил выделение кислорода. Вместе они реализовали высокоактивные электрокатализаторы в обеих реакциях.