Tuttavia, i lenti processi cinetici dei catodi ad aria limitano lo sviluppo della tecnologia delle batterie Zn-aria, vale a dire la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) durante la scarica e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) durante la carica. Pertanto, sono necessari elettrocatalizzatori efficienti per promuovere queste due reazioni.

In genere, gli elettrocatalizzatori a base di metalli nobili come il platino (Pt) sono efficaci per l'ORR, mentre gli ossidi di rutenio (Ru) e iridio (Ir) sono efficaci per l'OER. Tuttavia, l’insoddisfacente attività catalitica bifunzionale, la scarsa stabilità, la scarsa abbondanza e il prezzo elevato dei catalizzatori di metalli nobili ne ostacolano inevitabilmente l’applicazione pratica. Pertanto, la progettazione di catalizzatori efficienti ed economici con attività catalitica bifunzionale per ORR e OER rimane una grande sfida.

Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno cercato di sviluppare elettrocatalizzatori bifunzionali senza metalli nobili, inclusi metalli di transizione (Fe, Co, Ni e Mn), leghe metalliche, ossidi, nitruri, idrossidi e fosfuri. Tra questi prodotti chimici, le leghe di metalli di transizione hanno suscitato grande interesse grazie al loro prezzo basso e all'elevata attività catalitica per ORR e OER.

Studi approfonditi hanno dimostrato che i catalizzatori a base di ferro possono fornire un’eccellente attività catalitica per l’ORR ma la loro prestazione catalitica OER è scarsa, mentre i catalizzatori a base di nichel hanno prestazioni eccezionali nell’OER, e non vi è dubbio che la combinazione di Fe e Ni sia una scelta saggia per la costruzione di efficienti catalizzatori bifunzionali.

Sono altamente desiderabili elettrocatalizzatori in lega di FeNi con buone attività catalitiche ORR e OER contemporaneamente. Ci sono stati alcuni progressi in questa direzione; tuttavia, le parti metalliche soffrono ancora di una durata insufficiente perché ripetute reazioni redox possono portare alla dissoluzione del metallo in soluzioni acquose.

Bilanciare l'attività catalitica e la durata degli elettrocatalizzatori in lega è una delle sfide principali per ottenere prestazioni eccellenti. Per affrontare questo problema, una strategia efficace della cotta di maglia consiste nel costruire una struttura di incapsulamento con materiali in carbonio.

L’ambiente della reazione chimica, che tipicamente comprende le molecole che reagiscono in una soluzione liquida, la temperatura e una varietà di campi fisici, è come il campo di battaglia su cui combattono i catalizzatori. Lo strato di carbonio stabilizzato protegge il nucleo metallico interno dall'ambiente di reazione distruttiva.

È quindi figurativamente descritto come catalizzatori di cotta di maglia. La cotta di maglia non solo dovrebbe essere un materiale robusto per separare e proteggere il catalizzatore da ambienti corrosivi, ma dovrebbe anche essere in grado di trasferire l'attività catalitica alla sua superficie esterna, che quindi partecipa alla reazione catalitica.

Recentemente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Zhen Zhou dell'Università di Zhengzhou, in Cina, ha progettato un catalizzatore di maglia di maglia altamente promettente chiamato FeNi@NC, comprendente gusci di carbonio ultrasottili che incapsulano nanoparticelle di lega FeNi su nanofogli simili al grafene drogati con N. I forti effetti sinergici tra le leghe FeNi e i gusci di carbonio drogati con N determinano un'eccezionale attività catalitica bifunzionale, in particolare nei mezzi alcalini.

Di conseguenza, le batterie Zn-aria che incorporano FeNi@NC come catalizzatore dimostrano prestazioni eccezionali, funzionando in modo affidabile ad alta densità di potenza con una durata di vita estesa. Inoltre, le analisi computazionali hanno fornito un'ulteriore conferma dell'attività catalitica e hanno rivelato che il trasferimento di elettroni dalle nanoparticelle di lega FeNi ai gusci di carbonio attiva la superficie del carbonio, portando a prestazioni catalitiche migliorate.

Questa ricerca non solo fa luce sulla progettazione razionale e sulla sintesi di materiali di carbonio drogati con eteroatomi che supportano le leghe di metalli di transizione con crescita limitata, ma offre anche una soluzione pratica per far avanzare l'applicazione delle batterie Zn-aria.

La ricerca è pubblicata sul Chinese Journal of Catalysis .