Atualmente, a reação de redução de oxigênio (ORR) sofre de cinética lenta e alto sobrepotencial, o que geralmente requer materiais caros à base de platina (Pt). Catalisadores de átomo único de metal de transição (M–N–C), como Fe–N₄ e Co–N₄ com alta atividade ORR têm sido explorados e considerados os catalisadores mais promissores para substituição de metais preciosos. No entanto, a baixa densidade do sítio ativo e a espessa camada de catalisador no eletrodo dificultaram muito a transferência de massa do eletrodo. Vários métodos foram adotados para resolver este problema, por exemplo, usando estrutura porosa hierárquica e esferas de carbono ultrafinas como transportadores.
Uma equipe liderada pelo Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, National Supercomputer Centers em Changsha, Hunan University) descobriu que os catalisadores relatados até agora existem na forma de pós nanoestruturados e requerem ligantes adicionais para formar a camada de catalisador, o que reduz severamente a condutividade e a capacidade de transferência de massa. Continua a ser um grande desafio montar o carbono poroso em uma estrutura integrada em 3D, e não existe um método simples e eficiente para preparar a estrutura de poros controláveis ​​em eletrodos de grande área.

"Nós nos inspiramos na estrutura neuronal do cérebro do organismo e desenvolvemos uma estratégia eficiente para fabricar uma estrutura porosa flexível auto-sustentável com a alta densidade de sítios de um único átomo de Fe co-dopados com B, F (Fe-SA-FPCS). pode ser visto na imagem, cada esfera de carbono porosa está conectada por várias fibras de carbono. Essa estrutura é muito benéfica para o transporte de elétrons e para a construção da interface trifásica necessária para a reação", disse Wang.

Fe–SA–FPCS mostra um alto potencial de meia onda ORR (0,89 V vs. RHE), muito superior ao de 20% Pt/C (0,83 V vs. RHE). Quando usado diretamente como um eletrodo em baterias de Zn-ar líquido, Fe–SA–FPCS exibe uma alta densidade de potência de descarga de 168,4 mW cm ^{− 2} e durabilidade superior. A bateria flexível de estado sólido montada pelo Fe–SA–FPCS mostra uma capacidade estável de carga e descarga a 1 mA cm ^{− 2} . O excelente desempenho decorre da estrutura hierárquica de poros, alta densidade de sítios ativos e redes condutoras. A equipe mostrou que esse protocolo sintético pode ser muito útil para a produção de materiais de eletrodos promissores no futuro.

A pesquisa foi publicada na Science China Chemistry . + Explorar mais

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