Le batterie allo zinco-nitrato sono un sistema primario di accumulo di energia non ricaricabile che utilizza la differenza di potenziale redox tra gli ioni zinco e nitrato per immagazzinare e rilasciare energia elettrica. Un gruppo di ricerca guidato da chimici della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato una batteria ricaricabile al nitrato di zinco/etanolo ad alte prestazioni introducendo un catalizzatore innovativo.
Hanno progettato e sintetizzato con successo un efficiente metallene in lega rodio-rame modificato con tetrafenilporfirina (tpp) eterofase (RhCu M-tpp). Questo catalizzatore bifunzionale mostra notevoli capacità sia nella reazione elettrocatalitica di riduzione dei nitrati (NO3 RR) e la reazione di ossidazione dell'etanolo (EOR) in un mezzo neutro, superando i limiti monofunzionali dei tradizionali catalizzatori solidi a base metallica e fornendo un prezioso riferimento per la progettazione di uno stoccaggio energetico sostenibile in futuro.
"Questo studio evidenzia l'importanza della catalisi del relè molecola-metallo per un efficiente NH3 elettrosintesi in NO3 RR e offre un prototipo di batteria multifunzionale che mostra i vantaggi dei sistemi elettrochimici ibridi a base metallica sullo stoccaggio e sulla conversione dell'energia sostenibile e ad alte prestazioni", ha affermato il professor Fan Zhanxi, professore assistente presso il Dipartimento di Chimica della CityU, che ha guidato lo studio, evidenziando il significato dei risultati.
Elaborando l'unicità dei risultati, il prof. Fan ha spiegato che il RhCu M-tpp ottenuto supera la sfida dei tradizionali catalizzatori a base di Cu che richiedono un potenziale piuttosto negativo per convertire in modo efficiente il nitrato in ammoniaca durante la conduzione di NO3 RR in mezzo neutro. Inoltre, sulla base della bifunzionalità superiore del RhCu M-tpp preparato sia per NO3 RR ed EOR, una batteria ricaricabile al nitrato di zinco/etanolo è stata costruita con successo per affrontare la scarsa ricaricabilità delle tradizionali celle galvaniche al nitrato di zinco.
Inoltre, in questo lavoro è stato svelato un meccanismo di catalisi a relè molecola-metallo, in base al quale il nitrato viene prima ridotto a nitrito su tpp e quindi il nitrito generato viene convertito in ammoniaca sui siti metallici. Ciò ha verificato la fattibilità della modifica della superficie molecolare per migliorare le prestazioni elettrochimiche dei nanometalli per NO3 RR.
L'articolo è pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
L'attività dei catalizzatori catodici è cruciale per le prestazioni delle batterie al nitrato di zinco. Tuttavia, attualmente, i catalizzatori a base di rame utilizzati presentano dei limiti. Richiedono un potenziale applicato altamente negativo e hanno un debole adsorbimento di protoni, con conseguente bassa densità di corrente e resa di ammoniaca. Inoltre, questi catalizzatori non sono adatti per la reazione elettrocatalitica di evoluzione dell'ossigeno (OER), il che porta a batterie non ricaricabili e una durata ciclica ridotta.
Per affrontare questi problemi, il gruppo di ricerca ha sviluppato metalloni bimetallici ultrasottili RhCu per ridurre la barriera energetica per il rame. Dopo molti tentativi, hanno scoperto che la modifica della superficie dei metalloni RhCu con una piccola molecola, chiamata tpp, ha migliorato significativamente l'efficienza della conversione dei nitrati in ammoniaca senza compromettere le prestazioni dei substrati metallici nell'ossidazione dell'etanolo. Questa svolta può quindi migliorare le prestazioni complessive delle batterie al nitrato di zinco.
I risultati della ricerca offrono una soluzione efficace per la costruzione di sistemi energetici ibridi a base di zinco ad alte prestazioni e forniscono preziose informazioni per la futura progettazione di catalizzatori di dispositivi multifunzionali e rispettosi dell'ambiente.
Ulteriori informazioni: Jingwen Zhou et al, Costruzione di catalisi di relè molecola-metallo su metallone eterofase per batterie ricaricabili al nitrato di zinco/etanolo ad alte prestazioni, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2311149120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dalla City University of Hong Kong
