L'immagine a sinistra mostra il modello di batteria flessibile. A destra è mostrata un'immagine di una struttura di carbonio poroso flessibile autoportante simile a un neurone. Credito:Science China Press
Attualmente, la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) soffre di una cinetica lenta e di un alto potenziale eccessivo, che di solito richiede costosi materiali a base di platino (Pt). Catalizzatori a singolo atomo di metalli di transizione (M–N–C), come Fe–N4 e Co–N4 con elevata attività ORR sono stati esplorati e considerati i catalizzatori più promettenti per la sostituzione dei metalli preziosi. Tuttavia, la bassa densità del sito attivo e lo spesso strato di catalizzatore nell'elettrodo hanno notevolmente ostacolato il trasferimento di massa dell'elettrodo. Sono stati adottati vari metodi per risolvere questo problema, ad esempio utilizzando una struttura porosa gerarchica e sfere di carbonio ultrasottili come vettori.
Un team guidato dal Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, National Supercomputer Centers a Changsha, Hunan University) ha scoperto che i catalizzatori finora riportati esistono sotto forma di polveri nanostrutturate e richiedono leganti aggiuntivi per formare lo strato di catalizzatore, che riduce notevolmente la conduttività e la capacità di trasferimento di massa. Rimane una grande sfida assemblare il carbonio poroso in una struttura integrata in 3D e non esiste un metodo semplice ed efficiente per preparare una struttura dei pori controllabile all'interno di elettrodi di ampia area.
"Ci ispiriamo alla struttura neuronale del cervello dell'organismo e sviluppiamo una strategia efficiente per fabbricare una struttura porosa flessibile autoportante con l'alta densità di siti a singolo atomo di Fe co-drogato B, F (Fe-SA-FPCS). Come può essere visto dall'immagine, ogni sfera di carbonio porosa è collegata da diverse fibre di carbonio. Questa struttura è molto vantaggiosa per il trasporto degli elettroni e per costruire l'interfaccia trifase richiesta per la reazione", ha detto Wang.
Fe-SA-FPCS mostra un potenziale semionda ORR elevato (0,89 V contro RHE), molto più alto di quello del 20% Pt/C (0,83 V contro RHE). Se utilizzato direttamente come elettrodo in batterie Zn-aria liquide, Fe-SA-FPCS mostra un'elevata densità di potenza di scarica di 168,4 mW cm − 2 e durata superiore. La batteria flessibile a stato solido assemblata dal Fe-SA-FPCS mostra una capacità di carica-scarica stabile a 1 mA cm − 2 . Le eccellenti prestazioni derivano dalla struttura gerarchica dei pori, dall'elevata densità di siti attivi e dalle reti conduttive. Il team ha dimostrato che questo protocollo sintetico potrebbe essere molto utile per la produzione di materiali per elettrodi promettenti in futuro.
La ricerca è stata pubblicata su Science China Chemistry . + Esplora ulteriormente
