Un nuevo catalizador acerca las pilas comerciales de zinc-aire de alta eficiencia a la realidad
La conversión efectiva de fuentes de energía basadas en combustibles fósiles a renovables requiere baterías recargables rentables y de gran capacidad. En teoría, las baterías de zinc-aire (ZAB) pueden almacenar grandes cantidades de energía, pero las tecnologías actuales exigen el uso de costosos catalizadores de metales nobles, o agentes que aceleran una reacción química, cuyo rendimiento es inferior en las reacciones de carga y descarga. Se ha desarrollado un nuevo catalizador de metal, nitrógeno y carbono para su uso en ZAB que supera a los catalizadores de metales nobles, mejorando la eficiencia y la viabilidad de la tecnología ZAB.
El esquema superior izquierdo ilustra el flujo de una pila de zinc-aire (ZAB). El electrocatalizador de hierro-cobalto-níquel (Fe-Co-Ni) (arriba a la derecha) acelera tanto la carga como la descarga de la ZAB en comparación con los electrocatalizadores metálicos binarios o los metales nobles platino y rutenio, que se produce a través de la reacción de evolución del oxígeno y la reacción de reducción del oxígeno, respectivamente. El diagrama de la parte inferior izquierda ilustra el montaje de la ZAB con un electrolito flexible de puntos de carbono/alcohol polivinílico (CD/PVA) en estado sólido que resulta ideal para las tecnologías vestibles. El panel inferior derecho muestra la ZAB con el electrocatalizador ternario Fe-Co-Ni cargando un teléfono móvil.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
Los ZAB funcionan oxidando el zinc con el oxígeno del aire. Investigaciones recientes han demostrado que un catalizador que incorpore una combinación de diferentes átomos de metales no nobles podría aumentar la velocidad de las reacciones de descarga y el rendimiento de la pila. Con esta evidencia en mente, un grupo de investigadores de la Universidad de Hunan, el University College de Londres y la Universidad de Oxford generó un catalizador de metal no noble-nitrógeno-carbono a partir de hierro, cobalto y níquel (Fe, Co y Ni, respectivamente) para mejorar la carga, la descarga y la rentabilidad de las ZAB. Y lo que es más importante, el equipo también optimizó una película flexible de puntos de carbono/alcohol polivinílico (CD/PVA) como electrolito ZAB de estado sólido, o componente de la batería que transfiere los átomos cargados, creando una batería flexible y estable de alto rendimiento que podría utilizarse en dispositivos portátiles. El equipo publicó su estudio en la revista Nano Research Energy el 17 de mayo de 2024.
"Las pilas recargables de metal-aire son fuentes de energía prometedoras, especialmente las pilas de zinc-aire (ZAB), que ofrecen densidades energéticas teóricas elevadas (1084 Wh kg-1), son respetuosas con el medio ambiente y resultan rentables. Además, las ZAB recargables no sólo son seguras y estables, sino también portátiles y llevables. Actualmente se está investigando mucho sobre ZAB recargables y flexibles", afirma Huanxin Li, investigador del Departamento de Química de la Universidad de Oxford, autor principal del artículo y director de este proyecto.
Las ZAB se descargan y cargan mediante dos reacciones: la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de oxígeno (OER), respectivamente. Estas reacciones son notoriamente lentas y requieren catalizadores que aceleren la reacción electroquímica, o electrocatalizadores. Aunque los metales nobles son capaces de acelerar la ORR y la OER, los problemas de coste, rendimiento subóptimo y necesidad de dos metales nobles diferentes limitaban la viabilidad general de la tecnología ZAB.
"El desarrollo de electrocatalizadores bifuncionales no nobles eficientes y de bajo coste es crucial para la comercialización de ZAB recargables. Entre los diversos catalizadores no nobles, los nanomateriales de metal-nitrógeno-carbono (M-N-C) han llamado especialmente la atención por su bajo precio, sus abundantes reservas, su excelente actividad electroquímica y su gran estabilidad", afirmó el Dr. Li.
Sin embargo, crear un electrocatalizador compuesto por tres átomos metálicos distintos no es una cuestión trivial, debido a las diferentes fuerzas de interacción que se producen con cada átomo metálico. Para resolver este problema, el equipo utilizó estructuras de imidazolato zeolítico (ZIF), estructuras de carbono-nitrógeno que rodean y disponen cada uno de los tres átomos metálicos (Fe, Co y Ni), para anclar uniformemente los átomos catalíticos al carbono poroso a altas temperaturas. El equipo confirmó la distribución de los átomos de Fe, Co y Ni mediante espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDX), microscopia electrónica de transmisión de campo oscuro anular con corrección de aberración esférica (AC-HAADF-STEM) y espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS).
En conjunto, el electrocatalizador ternario Fe-Co-Ni superó a los electrocatalizadores bimetálicos (FeNi, FeCo y CoNi) y al platino y el rutenio, dos electrocatalizadores de metales nobles, en las reacciones de reducción y evolución del oxígeno. El equipo cree que los tres átomos metálicos del electrocatalizador ternario son activos y cooperan para aumentar la actividad catalítica, siendo el Fe el que más contribuye a la actividad por ser el átomo más abundante. Es probable que la estructura porosa y la mayor superficie del electrocatalizador también contribuyan a mejorar la actividad catalítica.
En conjunto, la ZAB recargable del equipo alcanzó una capacidad específica de 846,8 mAh-g Zn-1 y una impresionante densidad de potencia de 135 mW-cm-2 en electrolito líquido. La ZAB también alcanza una densidad de potencia de 60 mW-cm-2 utilizando el electrolito de estado sólido CD/PVA optimizado del equipo, que supera los resultados comunicados de las ZAB de estado sólido con otros catalizadores.
Y lo que es más importante, la ZAB desarrollada en el estudio era duradera y estable, capaz de alimentar un ventilador y una pantalla LED y de cargar un teléfono móvil. Los investigadores confían en que su electrocatalizador ternario Fe-Co-Ni y el electrolito CD/PVA estimulen la investigación de nuevos catalizadores y electrolitos para tecnologías ZAB prácticas y de alto rendimiento.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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