Un nuevo catalizador monoatómico eleva la densidad energética de las pilas de zinc-aire a niveles récord

No precioso pero espléndido

20.12.2022 - Alemania

La transformación a largo plazo hacia las energías renovables es inconcebible sin las modernas tecnologías de almacenamiento de energía. Entre ellas se encuentran las baterías, en las que la electricidad se almacena temporalmente en forma de energía química. Para que sean eficaces, es esencial disponer de catalizadores adecuados que permitan optimizar las reacciones químicas asociadas. Científicos de Dresde han estudiado más a fondo la pila de zinc-aire, un tipo de pila muy conocido que hoy en día se utiliza principalmente como pilas de botón, por ejemplo en audífonos. Para ello, han desarrollado un novedoso catalizador con el metal base circonio. Puede sustituir al platino, el metal precioso más utilizado como catalizador hasta la fecha, y seguir transformando la pila en una fuente de energía.

El nuevo catalizador mejora notablemente las prestaciones de carga y descarga de la batería. También es muy duradero: tras 130 horas de funcionamiento, la batería de prueba seguía conservando el 92% de su corriente original. "Se trata de un valor excelente teniendo en cuenta que aún estamos en las primeras fases de desarrollo", afirma la Dra. Agnieszka Kuc, del Instituto de Ecología de Recursos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Ella estudia las propiedades químico-físicas de los catalizadores de las pilas. Éstos se utilizan a menudo en forma de nanoestructuras metálicas sobre materiales de soporte adecuados, en los que sus átomos metálicos actúan como sitios catalíticamente activos. El tamaño de las partículas metálicas utilizadas es importante para el rendimiento de tales catalizadores: La experiencia de la investigación demuestra que la eficacia catalítica de los átomos metálicos suele aumentar cuanto más pequeñas son las partículas metálicas que los albergan.

"La última frontera es el catalizador monoatómico: átomos metálicos aislados distribuidos individualmente sobre un soporte", explica el Dr. Minghao Yu, de la Universidad Técnica de Dresde. Yu fabrica catalizadores centrados en átomos de metales de transición -como el circonio- atrapados en una matriz de carbono por átomos de carbono o nitrógeno vecinos situados en un plano. "En nuestro caso, sin embargo, tenemos también un átomo de oxígeno como compañero de coordinación adicional por encima de nuestro metal, lo que conduce a una mayor interacción con la estructura electrónica del circonio", dice Yu, destacando una característica especial que podría conducir a una nueva estrategia de diseño para catalizadores avanzados de un solo átomo.

El catalizador está diseñado para reducir los efectos de un fenómeno que limita la eficacia práctica de muchas reacciones electroquímicas: el llamado sobrepotencial, una medida de la desviación de la química real en la célula de la batería respecto a lo que cabría esperar teóricamente. "Esto significa básicamente que podemos aprovechar menos energía de la que predice la termodinámica", explica Kuc.

Miniaturización complicada

Los catalizadores reducen este sobrepotencial y se convierten así en la clave de la eficacia en la conversión de energía química en eléctrica. En la actualidad, los catalizadores a base de platino son la referencia en la química de baterías para aplicaciones comerciales. Sin embargo, tienen un inconveniente: el platino sólo se encuentra en pequeñas cantidades en la corteza terrestre y, por tanto, es muy caro. Por ello, en las últimas décadas se ha investigado el desarrollo de nuevos catalizadores basados en metales menos nobles como alternativas viables. Y ahora, los científicos de Dresde abogan por un candidato que realmente bate récords: el metal base circonio.

Los investigadores de la TU Dresde, el Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos (MPI-CPfS) y el HZDR tuvieron que vigilar un efecto de la miniaturización: La disminución del tamaño de las partículas favorece la aglomeración de esas mismas partículas en pequeños conglomerados. Esto, a su vez, limita el rendimiento, especialmente a altas densidades de corriente. El uso de un material portador adecuado que interactúe fuertemente con el metal evita esta aglomeración y crea cúmulos metálicos estables y finamente distribuidos con una elevada actividad catalítica. Con una distribución bien definida y uniforme de los átomos metálicos, los catalizadores pueden alcanzar una elevada actividad y selectividad.

"En nuestro caso, aislamos nuestro material sintetizado en la superficie de esferas de cuarzo, que tienen una estructura porosa ventajosa para los procesos catalíticos. En nuestro arreglo, encontramos una marcada aversión del circonio a la aglomeración, por lo que pudimos producir catalizadores con una elevada carga de circonio. Como resultado, hemos conseguido una densidad de potencia récord entre todas las pilas de zinc-aire fabricadas anteriormente con catalizadores de un solo átomo", informa Kuc.

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Publicación original

X. Wang, Y. An, L. Liu, L. Fang, Y. Liu, J. Zhang, H. Qi, T. Heine, T. Li, A. Kuc, M. Yu, X. Feng, Atomically Dispersed Pentacoordinated-Zirconium Catalyst with Axial Oxygen Ligand for Oxygen Reduction Reaction in Angewandte Chemie, International Edition, 2022

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