Verbetering van milieuvriendelijke batterijprestaties met behulp van katalysatoren met onconventionele fase-nanostructuren

Schematische weergave van het aprotische Li-CO₂ accu. Credit: Proceedings van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

De metaal-kooldioxidebatterij is een veelbelovende en milieuvriendelijke technologie, maar de energie-efficiëntie is beperkt. Onlangs ontdekte een onderzoeksteam onder leiding van scheikundigen van de City University of Hong Kong (CityU) een innovatieve manier om dit probleem op te lossen door een onconventioneel fase-nanomateriaal als katalysator te introduceren, waardoor de energie-efficiëntie van de batterij tot 83,8% werd verhoogd. De studie onthult een nieuw ontwerp van katalysatoren voor de nieuwe generatie metagasbatterijen die kunnen bijdragen aan CO2-neutrale doelen.

De metaal-kooldioxidebatterij kan duurzame elektriciteit (hoge energiedichtheid) voor elektronica leveren en koolstofdioxide (CO₂) fixatie zonder extra energieverbruik van een extern circuit om CO . om te zetten₂ uitstoot van broeikasgassen in producten met toegevoegde waarde. Met name de lithium-kooldioxidebatterij heeft een hoge theoretische energiedichtheid (1876 Wh kg^-1), waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor hoogwaardige energieconversie- en opslagtechnologie van de volgende generatie.

Echter, metaal-CO₂ batterijen hebben nog steeds last van trage reactiekinetiek. Dit veroorzaakt een groot overpotentiaal (dwz er is meer spanning of energie nodig dan theoretisch is bepaald om de oxidatie-reductiereactie aan te sturen die de batterij laat werken), lage energie-efficiëntie, slechte omkeerbaarheid en beperkte fietsstabiliteit.

Technische hindernissen in traditionele strategieën voor het wijzigen van katalysatoren

“Onderzoekers beschouwen de morfologie, grootte, bestanddelen en distributie van op metaal gebaseerde componenten in composietkathodekatalysatoren gewoonlijk als de belangrijkste zorgen die leiden tot verschillen in batterijprestaties”, zegt Dr. Fan Zhanxi, universitair docent bij de afdeling Scheikunde van CityU, en een van de leiders van de studie. “Maar we ontdekten dat het voorbereiden van nieuwe katalysatoren met onconventionele fasen een haalbare en veelbelovende strategie was om de energie-efficiëntie en prestaties van metaalgasbatterijen te verbeteren, vooral omdat traditionele modificatiestrategieën voor katalysatoren technische hindernissen op de lange termijn hebben ondervonden.”

(a) Aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM-afbeelding van Au@4H/fcc-Ir0.14-nanostructuren. (b, c) FFT-patronen van de overeenkomstige regio’s gemarkeerd met blauwe (b) en rode (c) gestippelde vierkanten in a. Credit: Proceedings van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

Dr. Fan en zijn team hebben uitgebreide ervaring en kennis opgebouwd met betrekking tot de precieze regulering van de kristalfase van op metaal gebaseerde nanomaterialen, waardoor ze geschikte elementen konden selecteren om hun onconventionele fasen te construeren en vervolgens het effect van de kristalfase van katalysatoren op de reactiekinetiek van een bepaald soort aprotische (dwz zonder waterstofionen) metaal-gaselektrochemie. “Dit betekent echter niet dat dit proces gemakkelijk te realiseren is, omdat het strenge eisen stelt aan de bifunctionaliteit van kathodekatalysatoren in een organische omgeving”, legt Dr. Fan uit.

Het team synthetiseerde iridium-nanostructuren met een onconventionele 4H/face-centered kubieke (fcc) heterofase door de groeikinetiek van Ir op gouden (Au) sjablonen te regelen. In hun experimenten vertoonde de katalysator met 4H/fcc-heterofase een lager ladingsplateau (onder 3,61 V) en een hogere energie-efficiëntie tot 83,8% tijdens het fietsen in aprotisch Li-CO₂ batterijen dan andere op metaal gebaseerde katalysatoren (gewoonlijk met een laadpotentieel van meer dan 3,8 V en een energie-efficiëntie tot 75%).

Drie verschillende soorten elektrochemische reactiekinetiek op Au@4H-Ir, Au@fcc-Ir en pure Au (rechterpaneel) in een aprotisch Li-CO₂ accu. Credit: Proceedings van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

Uitstekende prestaties van onconventionele metalen nanomaterialen

De combinatie van experimenten en theoretische berekeningen uitgevoerd door het team onthulde dat 4H/fcc Ir-nanostructuren gecreëerd door middel van fase-engineering gunstiger zijn voor de omkeerbare vorming van amorfe/laagkristallijne ontladingsproducten, waardoor de overpotentiaal wordt verlaagd en de cyclusstabiliteit van elektrochemische redox wordt bevorderd. reacties. De ongebruikelijke fase 4H/fcc Ir-nanostructuren presteerden veel beter dan gewone fcc Ir, en bereikten een uitstekend laadpotentieel en energie-efficiëntie in vergelijking met andere gerapporteerde op metaal gebaseerde katalysatoren die worden gebruikt in aprotisch Li-CO₂ batterijen.

Ontladingsprofielen van voorbereide Au@4H/fcc-Irx en Au+fcc-Ir0.14 kathoden in een aprotische Li-CO₂ accu. Credit: Proceedings van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

“Deze studie onthult het grote potentieel van fase-engineering van katalysatoren in de metaal-gaselektrochemie. Het opent een nieuwe richting voor het ontwerpen van katalysatoren voor de ontwikkeling van duurzame elektrochemische energieconversie- en opslagsystemen”, concludeerde Dr. Fan.

De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences.