I ricercatori della Case Western Reserve University e della University of North Texas hanno realizzato quello che credono sia il primo elettrocatalizzatore bifunzionale privo di metalli che funziona altrettanto bene o meglio della maggior parte degli elettrodi di metallo e ossido di metallo nelle batterie zinco-aria.

Le batterie zinco-aria dovrebbero essere più sicure, accendino, più economiche, potenti e durevoli delle batterie agli ioni di litio comuni nei telefoni cellulari e nei laptop e sempre più utilizzate nelle auto ibride ed elettriche.

Questo catalizzatore a base di carbonio funziona in modo efficiente sia nella reazione di riduzione dell'ossigeno che nella reazione di evoluzione dell'ossigeno, rendendo la batteria ricaricabile. Il catalizzatore è anche poco costoso, facile da realizzare e più ecologico della maggior parte dei materiali alternativi.

La ricerca è pubblicata nell'edizione online di Nanotecnologia della natura .

"Con le batterie, il costo è sempre un problema e i catalizzatori privi di metalli possono ridurre i costi migliorando le prestazioni, " ha detto Liming Dai, professore di scienze e ingegneria macromolecolare presso la Case Western Reserve University e autore senior dello studio. "Queste batterie potrebbero essere utilizzate nei computer, stazioni dati, per l'illuminazione, ovunque si usino le batterie adesso."

Dai ha lavorato con il postdottore della Case Western Reserve Jintao Zhang, chi ha svolto lavori sperimentali; e Zhenhai Xia della North Texas University, professore di scienze e ingegneria dei materiali, e Zhenghang Zhao, uno studente di dottorato, che ha eseguito simulazioni teoriche.

Le batterie zinco-aria mescolano l'ossigeno dell'aria con lo zinco in un elettrolita liquido alcalino per creare una carica. Le batterie possono avere tre volte la densità di energia delle batterie agli ioni di litio, ma sono stato pigro. Per contrastare questo problema, i ricercatori stanno cercando materiali catalizzatori diversi.

Questo catalizzatore è un aerogel di carbonio stabile, o schiuma, con pori che vanno da 2 a 50 nanometri di diametro, fornendo un'enorme superficie e spazio per la diffusione dell'elettrolita della batteria.

I ricercatori hanno seguito una procedura di produzione della schiuma pubblicata dagli scienziati della Stanford University nel 2012. Hanno polimerizzato le molecole del composto organico anilina in lunghe catene in una soluzione di acido fitico, quindi liofilizzare l'idrogel tridimensionale in un aerogel.

"Quello che abbiamo fatto di nuovo è stato carbonizzare la struttura 3-D, trasformandolo in un materiale di carbonio grafitico, " disse Zhang.

Fare quello, i ricercatori hanno riscaldato l'aerogel a 1, 000 gradi Celsius in assenza di ossigeno. Il processo, chiamato pirolisi, ha provocato una reazione termochimica, trasformando la schiuma in una rete grafitica, con molti bordi di grafene che si sono rivelati cruciali per la catalisi.

"Questo è un basso costo, un passo, processo scalabile, " Dai ha detto. "L'elettrocatalizzatore produce risultati comparabili o migliori rispetto a materiali più costosi".

L'anilina infonde, o droghe, la schiuma con azoto, che migliora la reazione di riduzione dell'ossigeno. L'acido fitico infonde la schiuma con fosforo. "Il co-doping di azoto e fosforo migliora sia la riduzione dell'ossigeno che le reazioni di evoluzione dell'ossigeno, come confermato dai calcoli dei primi principi", ha detto Xia.

Nei confronti, le prestazioni della schiuma di carbonio in un primario, o non ricaricabile, batteria e una batteria ricaricabile eguagliavano o superavano quella dei costosi catalizzatori a base di platino/ossido di metallo. E, aveva una migliore stabilità a lungo termine.

La schiuma di carbonio ha anche eguagliato o superato la maggior parte dei catalizzatori privi di metalli riportati in precedenza, anche catalizzatori a base di carbonio recentemente sviluppati con metalli.

Andando avanti, Il team di Dai ha iniziato a ottimizzare ulteriormente il processo, studiando anche altri materiali in carbonio grafitico co-drogati con elementi diversi per un possibile utilizzo in altre tecnologie energetiche e ambientali.

Il laboratorio di Dai ha precedentemente sviluppato catalizzatori a base di carbonio che funzionano in modo comparabile o migliore rispetto ai più costosi catalizzatori a base di metallo utilizzati nelle celle a combustibile alcaline e acide e nelle celle solari sensibilizzate con coloranti.

"Forse è il momento di spingere per catalizzatori privi di metalli nei dispositivi commerciali, "Dì disse.