Il composito di metalli di transizione comporta un costo

6 ottobre 2022

di Particuologia

Le batterie ricaricabili zinco-aria, alimentate dall'ossidazione dello zinco con l'ossigeno dell'aria, offrono un'efficiente opzione di stoccaggio dell'energia rinnovabile, pulita e sicura. Le prestazioni della batteria, tuttavia, sono state ostacolate dalle lente reazioni elettrochimiche dell’ossigeno, un collo di bottiglia critico per il ridimensionamento e la commercializzazione.

Nel loro studio pubblicato su Particuology, un team di ricercatori cinesi ha progettato una strategia per migliorare le prestazioni della batteria che prevede l’aumento delle reazioni dell’ossigeno combinando due metalli di transizione per fornire un’elevata attività elettrocatalitica.

La maggior parte delle fonti di energia rinnovabile, compresa l’energia solare, mancano di stabilità a lungo termine e richiedono sistemi di stoccaggio dell’energia ad alta efficienza per integrarsi con la rete elettrica. Le batterie ricaricabili zinco-aria sono considerate buone candidate per lo stoccaggio di energia di prossima generazione perché racchiudono una densità di energia teorica elevatissima. Queste batterie assorbono uno dei loro principali reagenti, l'ossigeno, dall'aria. Non contengono composti tossici e possono essere riciclati, smaltiti in modo sicuro e ricaricati con nuovo zinco.

L’ostacolo risiede in una coppia di reazioni elettrochimiche – reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) e reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) – che hanno luogo nel catodo dell’aria durante la carica e la scarica della batteria.

"La cinetica redox per ORR e OER è molto lenta e provoca una grave polarizzazione, una diminuzione dell'efficienza energetica e una durata di vita limitata delle pratiche batterie zinco-aria ricaricabili", ha affermato l'autore dell'articolo Bo-Quan Li, professore associato presso il Beijing Institute of Technology.

Affinché le batterie zinco-aria siano utilizzabili su larga scala, queste reazioni necessitano di una spinta. I metalli nobili e i metalli di transizione (nichel, cobalto, manganese e ferro) possono essere utilizzati per catalizzare la cinetica ORR e OER, ad esempio accelerando il trasferimento di elettroni tra elettrodo e reagenti. Queste tecniche funzionano, ma a un costo elevato.

"Gli elettrocatalizzatori a base di metalli nobili dimostrano un'attività elettrocatalitica all'avanguardia e fungono da parametri di riferimento ampiamente accettati", ha affermato Li. "Ma i costi elevati, la scarsità del suolo e la scarsa durabilità ostacolano le loro applicazioni pratiche su larga scala."

Pertanto, la continua ricerca di un’opzione ad alte prestazioni priva di metalli nobili che catalizza sia ORR che OER è di grande importanza per le pratiche batterie zinco-aria ricaricabili, ha affermato Li.

Studi precedenti hanno dimostrato che l’inclusione di atomi di metalli di transizione in un substrato di carbonio conduttivo produce un’elevata attività elettrocatalitica grazie all’efficienza atomica, alla struttura elettronica unica e alla diversità nella struttura chimica. Ma quale metallo funziona meglio sia per l’ORR che per l’OER?

Nel loro studio, il gruppo di ricerca del Beijing Institute of Technology, della Tsinghua University e della Harbin Normal University si chiede: perché sceglierne solo uno?

"Un singolo tipo di sito attivo difficilmente può promuovere contemporaneamente la cinetica ORR e OER per fornire un'eccezionale attività elettrocatalitica bifunzionale", ha affermato Li. "La composizione di diversi siti attivi con la rispettiva attività elettrocatalitica è stata verificata come una strategia efficace per realizzare la multifunzionalità."

Il gruppo di ricerca ha combinato due siti di metalli di transizione atomica – ferro atomico (Fe) e nichel atomico (Ni) – e ha incorporato il composito su un substrato di carbonio drogato con azoto (NC). Il Fe ha raggiunto un'elevata attività elettrocatalitica sulla riduzione dell'ossigeno, mentre il Ni ha potenziato con successo l'evoluzione dell'ossigeno. Insieme, hanno realizzato elettrocatalizzatori altamente attivi in ​​entrambe le reazioni.

"L'elettrocatalizzatore composito ha dimostrato un'eccezionale attività elettrocatalitica bifunzionale che supera l'elettrocatalizzatore a base di metalli nobili e la maggior parte degli elettrocatalizzatori bifunzionali segnalati basati su siti attivi analoghi", ha affermato Li.