Le nanoparticelle contenenti tre diversi strati di materiale possono aiutare a migliorare le prestazioni di una batteria zinco-aria, I ricercatori di A*STAR hanno scoperto.

Le batterie zinco-aria sono economiche, hanno un'alta densità di energia, e durano molto a lungo. Il loro utilizzo di un elettrolita a base d'acqua le rende più sicure di altre batterie, quindi si trovano spesso nelle applicazioni mediche, come apparecchi acustici e dispositivi per il monitoraggio del cuore.

L'elettrodo negativo della batteria contiene zinco metallico, che cede elettroni quando reagisce con gli ioni idrossido nell'elettrolita. Questi elettroni generano una corrente mentre fluiscono verso l'elettrodo positivo, dove reagiscono con l'ossigeno dell'aria per produrre più ioni idrossido.

La lentezza della reazione con l'ossigeno limita l'uscita di tensione della batteria e le sue prestazioni ad alta corrente. Trovare un catalizzatore per accelerare la reazione potrebbe produrre maggiore potenza e densità di energia, aprendo una gamma più ampia di potenziali applicazioni.

Yun Zong e Zhaolin Liu dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e colleghi hanno sviluppato un catalizzatore di nanoparticelle che potrebbe andare bene. Le particelle hanno un diametro di 20-50 nanometri, con un nucleo di cobalto racchiuso da un guscio interno di ossido di cobalto, che è circondato da un guscio esterno di polidopamina pirolizzata (PPD), una forma di carbonio 'punteggiato' di atomi di azoto. Queste nanoparticelle sono rivestite su un supporto di carbonio poroso che funge da elettrodo. La loro struttura aiuta a prevenire la lisciviazione del cobalto o l'aggregazione, e il guscio esterno protettivo rende anche le nanoparticelle più resistenti.

Queste nanoparticelle a tre strati hanno trasformato in modo efficiente l'ossigeno in idrossido in un unico passaggio. Il team suggerisce che gli atomi di azoto nel guscio del PPD aiutano ad attrarre e rendere gli atomi di ossigeno più reattivi nel loro percorso verso i siti cataliticamente attivi nell'ossido di cobalto e nel PPD. Nel frattempo, il nucleo di cobalto e il guscio PPD aiutano gli elettroni a fluire in modo efficiente agli atomi di ossigeno. In contrasto, particelle simili contenenti solo cobalto e ossido di cobalto, o solo PPD, trasformato ossigeno in un processo in due fasi che ha prodotto idroperossido, un intermedio indesiderabile e corrosivo.

I ricercatori hanno testato il loro elettrodo in una batteria zinco-aria (vedi immagine), e scoprì che poteva produrre una corrente di cinque milliampere per centimetro quadrato di elettrodo a 1,36 volt per cinque giorni, prestazioni superiori a un elettrodo che si basava su un catalizzatore al platino convenzionale.

"La fase successiva di questa ricerca include la semplificazione del percorso sintetico per facilitare la sintesi su larga scala delle nanoparticelle, e sfruttamento di altri sistemi catalitici seguendo la strategia simile, "dice Zong.