p Pesquisadores da Case Western Reserve University e da University of North Texas fizeram o que acreditam ser o primeiro eletrocatalisador bifuncional sem metal com desempenho tão bom ou melhor do que a maioria dos eletrodos de metal e óxido de metal em baterias de zinco-ar. p Espera-se que as baterias de zinco-ar sejam mais seguras, mais leve, mais baratas, potentes e duráveis ​​do que as baterias de íon de lítio comuns em telefones celulares e laptops e cada vez mais usadas em carros híbridos e elétricos.

p Este catalisador à base de carbono funciona de forma eficiente na reação de redução de oxigênio e na reação de evolução de oxigênio, tornando a bateria recarregável. O catalisador também é barato, fácil de fazer e mais ecológico do que a maioria dos materiais alternativos.

p A pesquisa está publicada na edição online da Nature Nanotechnology .

p "Com baterias, o custo é sempre um problema e os catalisadores livres de metal podem reduzir os custos, melhorando o desempenho, "disse Liming Dai, professor de ciência macromolecular e engenharia na Case Western Reserve University e autor sênior do estudo. “Essas baterias podem ser usadas em computadores, estações de dados, para iluminação - em qualquer lugar as baterias são usadas agora. "

p Dai trabalhou com o pós-doutorado da Case Western Reserve, Jintao Zhang, quem realizou trabalho experimental; e Zhenhai Xia, da North Texas University, professor de ciência e engenharia de materiais, e Zhenghang Zhao, um estudante de doutorado, que realizaram simulações teóricas.

p As baterias de zinco-ar misturam oxigênio do ar com zinco em um eletrólito alcalino líquido para criar uma carga. As baterias podem ter três vezes a densidade de energia das baterias de íon de lítio, mas tem sido lento. Para combater esse problema, os pesquisadores estão buscando diferentes materiais catalisadores.

p Este catalisador é um aerogel de carbono estável, ou espuma, com poros variando de 2 a 50 nanômetros de diâmetro, fornecendo uma enorme área de superfície e espaço para o eletrólito da bateria se difundir.

p Os pesquisadores seguiram um procedimento de fabricação de espuma publicado por cientistas da Universidade de Stanford em 2012. Eles polimerizaram moléculas do composto orgânico anilina em longas cadeias em uma solução de ácido fítico. em seguida, liofilizou o hidrogel tridimensional em um aerogel.

p "O que fizemos de novo foi carbonizar a estrutura 3-D, transformando-o em um material de carbono grafítico, "Disse Zhang.

p Fazer isso, os pesquisadores aqueceram o aerogel a 1, 000 graus Celsius na ausência de oxigênio. O processo, chamada pirólise, causou uma reação termoquímica, transformando a espuma em uma rede grafítica, com muitas bordas de grafeno que provaram ser cruciais para a catálise.

p "Este é um baixo custo, um passo, processo escalável, "Dai disse." O eletrocatalisador produz resultados comparáveis ​​ou melhores do que os materiais mais caros. "

p A anilina se infunde, ou drogas, a espuma com nitrogênio, o que aumenta a reação de redução de oxigênio. O ácido fítico infunde fósforo na espuma. "A co-dopagem de nitrogênio e fósforo aumenta a redução de oxigênio e as reações de evolução de oxigênio, conforme confirmado pelos cálculos de primeiros princípios ", Disse Xia.

p Em comparações, o desempenho da espuma de carbono em um primário, ou não recarregável, bateria e uma bateria recarregável igualou ou superou a de catalisadores à base de platina / óxido de metal caros. E, tinha melhor estabilidade a longo prazo.

p A espuma de carbono também correspondeu ou superou a maioria dos catalisadores livres de metal relatados anteriormente, até catalisadores à base de carbono desenvolvidos recentemente com metais.

p Seguindo em frente, A equipe da Dai começou a otimizar ainda mais o processo enquanto também investigava outros materiais de carbono grafítico co-dopados com diferentes elementos para possível uso em outras tecnologias ambientais e de energia.

p O laboratório da Dai desenvolveu anteriormente catalisadores à base de carbono com desempenho comparável ou melhor do que catalisadores metálicos mais caros usados ​​em células de combustível ácidas e alcalinas e em células solares sensibilizadas por corante.

p "Talvez seja hora de empurrar para catalisadores sem metal em dispositivos comerciais, "Dai disse.