Catalisadores de cota de malha:ligas de FeNi encapsuladas em carbono para eletrocatálise de oxigênio aprimorada
Nanopartículas de liga FeNi, encapsuladas em um invólucro de carbono e suportadas em nanofolhas de grafeno dopadas com N, foram preparadas. Este catalisador de cota de malha demonstra desempenho superior em reações de redução e evolução de oxigênio e baterias de Zn-ar. Este desempenho aprimorado é atribuído ao efeito sinérgico entre o casco e a liga. Crédito:Jornal Chinês de Catálise O rápido crescimento da procura global de energia causou um esgotamento maciço dos combustíveis fósseis tradicionais e graves problemas ambientais, e não há dúvida de que o desenvolvimento de tecnologias eficientes de armazenamento e conversão de energia é um campo essencial de investigação. Baterias recarregáveis de Zn-ar têm atraído grande interesse de pesquisa devido à sua alta densidade de energia, baixo custo, respeito ao meio ambiente e segurança.
No entanto, os lentos processos cinéticos dos cátodos de ar limitam o desenvolvimento da tecnologia de baterias Zn-ar, nomeadamente a reação de redução de oxigênio (ORR) durante a descarga e a reação de evolução de oxigênio (OER) durante a carga. Portanto, eletrocatalisadores eficientes são necessários para promover essas duas reações.
Normalmente, eletrocatalisadores à base de metais nobres, como a platina (Pt), são eficazes para ORR, enquanto os óxidos de rutênio (Ru) e irídio (Ir) são eficazes para REA. No entanto, a atividade catalítica bifuncional insatisfatória, a fraca estabilidade, a baixa abundância e o alto preço dos catalisadores de metais nobres dificultam inevitavelmente a aplicação prática. Portanto, projetar catalisadores eficientes e baratos com atividade catalítica bifuncional para ORR e REA continua sendo um grande desafio.
Na última década, os pesquisadores procuraram desenvolver eletrocatalisadores bifuncionais sem metais nobres, incluindo metais de transição (Fe, Co, Ni e Mn), ligas metálicas, óxidos, nitretos, hidróxidos e fosfetos. Entre estes produtos químicos, as ligas de metais de transição têm atraído grande interesse devido ao seu baixo preço e alta atividade catalítica para ORR e REA.
Estudos aprofundados mostraram que os catalisadores à base de ferro podem fornecer excelente atividade catalítica para ORR, mas seu desempenho catalítico em REA é fraco, enquanto os catalisadores à base de níquel têm excelente desempenho em REA, e não há dúvida de que a combinação de Fe e Ni é uma escolha acertada para a construção de catalisadores bifuncionais eficientes.
Eletrocatalisadores de liga FeNi com boas atividades catalíticas ORR e OER simultaneamente são altamente desejáveis. Houve algum progresso nesta direção; no entanto, as peças metálicas ainda apresentam durabilidade insuficiente porque repetidas reações redox podem levar à dissolução do metal em soluções aquosas.
Equilibrar a atividade catalítica e a durabilidade dos eletrocatalisadores de liga é um dos principais desafios para alcançar um desempenho excelente. Para resolver este problema, uma estratégia eficaz de cota de malha é construir uma estrutura de encapsulamento com materiais de carbono.
O ambiente da reação química, que normalmente inclui moléculas reagentes em uma solução líquida, temperatura e uma variedade de campos físicos, é como o campo de batalha no qual os catalisadores lutam. A camada de carbono estabilizada protege o núcleo metálico interno do ambiente de reação destrutiva.
É, portanto, descrito figurativamente como catalisadores de cota de malha. A cota de malha não deve ser apenas um material robusto para separar e proteger o catalisador de ambientes corrosivos, mas também deve ser capaz de transferir a atividade catalítica para a sua superfície externa, que então participa da reação catalítica.
Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Zhen Zhou da Universidade de Zhengzhou, China, projetou um catalisador de cota de malha altamente promissor chamado FeNi@NC, compreendendo conchas de carbono ultrafinas encapsulando nanopartículas de liga de FeNi em nanofolhas semelhantes a grafeno dopadas com N. Os fortes efeitos sinérgicos entre as ligas FeNi e as cascas de carbono dopadas com N resultam em excelente atividade catalítica bifuncional, particularmente em meios alcalinos.
Consequentemente, as baterias Zn-ar que incorporam FeNi@NC como catalisador demonstram desempenho excepcional, operando de forma confiável em alta densidade de potência com vida útil prolongada. Além disso, análises computacionais forneceram confirmação adicional da atividade catalítica e revelaram que a transferência de elétrons das nanopartículas da liga FeNi para as camadas de carbono ativa a superfície do carbono, levando a um melhor desempenho catalítico.
Esta pesquisa não apenas esclarece o design racional e a síntese de materiais de carbono dopados com heteroátomos que suportam ligas de metais de transição com crescimento restrito, mas também oferece uma solução prática para o avanço da aplicação de baterias Zn-ar.
A pesquisa foi publicada no Chinese Journal of Catalysis .
