Catalisador bifuncional permite baterias de alto desempenho para armazenamento sustentável de energia
(a) Ilustração esquemática do princípio de funcionamento de baterias montadas de nitrato de zinco/etanol. (b) SEM e (c) Imagens HAADF-STEM de baixa dosagem de RhCu M-tpp sintetizado. (d, e) Padrões FFT correspondentes às regiões marcadas pelos quadrados tracejados (d) azul e (e) vermelho em (c). Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2023). DOI:10.1073/pnas.2311149120 As baterias de nitrato de zinco são um sistema primário de armazenamento de energia não recarregável que utiliza a diferença de potencial redox entre os íons zinco e nitrato para armazenar e liberar energia elétrica. Uma equipe de pesquisa co-liderada por químicos da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu uma bateria recarregável de zinco-nitrato/etanol de alto desempenho, introduzindo um catalisador inovador.
Eles projetaram e sintetizaram com sucesso um metaleno de liga de ródio-cobre heterofásico modificado com tetrafenilporfirina (tpp) eficiente (RhCu M-tpp). Este catalisador bifuncional exibe capacidades notáveis tanto na reação eletrocatalítica de redução de nitrato (NO3 RR) e reação de oxidação do etanol (EOR) em meio neutro, superando as limitações monofuncionais dos catalisadores sólidos tradicionais à base de metal e fornecendo uma referência valiosa para o projeto de armazenamento de energia sustentável no futuro.
"Este estudo destaca a importância da catálise de relé molécula-metal para NH3 eficiente eletrossíntese em NO3 RR e oferece um protótipo de bateria multifuncional que mostra os benefícios dos sistemas eletroquímicos híbridos baseados em metal no armazenamento e conversão de energia sustentável e de alto desempenho", disse o professor Fan Zhanxi, professor assistente do Departamento de Química da CityU, que liderou o estudo, destacando a importância das descobertas.
Elaborando sobre a singularidade das descobertas, o Prof Fan explicou que o RhCu M-tpp obtido supera o desafio dos catalisadores tradicionais à base de Cu, que exigem potencial bastante negativo para converter eficientemente nitrato em amônia ao conduzir NO3 RR em meio neutro. Além disso, com base na bifuncionalidade superior do RhCu M-tpp preparado para NO3 RR e EOR, uma bateria recarregável de nitrato de zinco/etanol foi construída com sucesso para resolver a fraca capacidade de recarga das células galvânicas tradicionais de nitrato de zinco.
Além disso, um mecanismo de catálise de relé molécula-metal foi desvendado neste trabalho, pelo qual o nitrato é primeiramente reduzido a nitrito no tpp, e então o nitrito gerado é convertido em amônia em sítios metálicos. Isto verificou a viabilidade da modificação da superfície molecular para melhorar o desempenho eletroquímico de nanomatais para NO3 RR.
O artigo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .
(a) Perfis de descarga galvanostática de baterias de nitrato de Zn/etanol com cátodos RhCu M-tpp de OCV a 0,005 V (vs. Zn²⁺/Zn). Inserção:uma fotografia digital mostrando o dispositivo de bateria construído, juntamente com a medição do OCV. (b) Teste de estabilidade de ciclo de longo prazo de baterias de nitrato de Zn/etanol e nitrato de Zn montadas. (c) Os espectros de RMN de 1H dos eletrólitos utilizados nos estados puro, descarregado e carregado. (d) Fotografia digital de um relógio digital comercial alimentado pela bateria construída de nitrato de zinco/etanol. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2023). DOI:10.1073/pnas.2311149120
A atividade dos catalisadores catódicos é crucial para o desempenho das baterias de nitrato de zinco. No entanto, atualmente, os catalisadores à base de cobre utilizados apresentam limitações. Eles exigem potencial aplicado altamente negativo e têm fraca adsorção de prótons, resultando em baixa densidade de corrente e rendimento de amônia. Além disso, esses catalisadores não são adequados para reação eletrocatalítica de evolução de oxigênio (OER), levando a baterias não recarregáveis e baixa vida útil.
Para resolver esses problemas, a equipe de pesquisa desenvolveu metalenos RhCu bimetálicos ultrafinos para reduzir a barreira energética do cobre. Depois de muitas tentativas, eles descobriram que a modificação da superfície dos metalenos RhCu com uma molécula pequena, chamada tpp, melhorou significativamente a eficiência da conversão do nitrato em amônia sem comprometer o desempenho dos substratos metálicos na oxidação do etanol. Este avanço pode, portanto, melhorar o desempenho geral das baterias de nitrato de zinco.
Os resultados da pesquisa oferecem uma solução eficaz para a construção de sistemas de energia híbridos de alto desempenho à base de zinco e fornecem informações valiosas para o futuro projeto de catalisadores de dispositivos multifuncionais e ecologicamente corretos.
