Selezione di catalizzatori di riduzione dell'ossigeno per tri secondario

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6696 (2022) Citare questo articolo

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Gli elettrocatalizzatori della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), che sono altamente efficienti, economici ma durevoli, sono importanti per le applicazioni di celle Zn-aria secondarie. Le attività ORR di elettrocatalizzatori di ossido di metallo e carbonio singoli e misti sono state studiate utilizzando misurazioni dell'elettrodo a disco rotante (RDE), pendenza di Tafel e grafici di Koutecky-Levich. Si è scoperto che MnOx combinato con XC-72R ha dimostrato un'elevata attività ORR e una buona stabilità, fino a 100 mA cm−2. Le prestazioni dell'elettrodo ORR selezionato e di un elettrodo di reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) precedentemente ottimizzato sono state successivamente testate in una cella secondaria Zn-aria personalizzata in una configurazione a tre elettrodi e gli effetti della densità di corrente, della molarità dell'elettrolita, della temperatura, e la purezza dell'ossigeno sulle prestazioni degli elettrodi ORR e OER. Infine, è stata valutata la durabilità del sistema secondario Zn-aria, dimostrando un’efficienza energetica del 58–61% a 20 mA cm−2 per 40 ore in 4 M NaOH + 0,3 M ZnO a 333 K.

Le batterie metallo-aria dotate di elettrodi di ossigeno sono considerate sistemi altamente attraenti poiché il materiale elettroattivo dell'elettrodo di ossigeno può essere facilmente ottenuto dall'atmosfera ambientale e non richiede alcuno stoccaggio1. Ciò semplifica la progettazione del sistema consentendo allo stesso tempo all'elettrodo dell'ossigeno di avere una capacità infinita, aumentando così la densità energetica del sistema2. Sono quindi emerse batterie metallo-aria che incorporano l'uso di materiali anodici come Li, Al, Fe, Zn e Mg grazie alle loro eccellenti capacità specifiche3. Tra questi, le batterie Zn-aria sono altamente in grado di soddisfare le richieste del mercato in termini di costi, sicurezza e rispetto dell'ambiente perché lo Zn ha diverse proprietà desiderabili come materiale anodico come buona stabilità negli elettroliti acquosi, elevata energia specifica, basso potenziale di equilibrio, reversibilità elettrochimica, buona conduttività, abbondanza e facilità di manipolazione4,5. Attualmente, mentre le batterie primarie Zn-aria si trovano in applicazioni commerciali come apparecchi acustici, segnali ferroviari e luci di navigazione4, le batterie secondarie Zn-aria possiedono il potenziale per densità di energia specifiche elevate equivalenti alle batterie a base di litio. Ciò rende utile la continua ricerca sulle batterie Zn-aria per applicazioni in dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici, stoccaggio di energia su scala di rete e supporto della generazione di energia rinnovabile6,7.

Una delle sfide principali è aumentare l'efficienza delle reazioni dell'ossigeno (ovvero la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER)) sull'elettrodo ad aria se si mira a facilitare la commercializzazione delle batterie secondarie Zn-aria. A questo scopo, è possibile utilizzare un elettrocatalizzatore efficace per aumentare la velocità di reazione e quindi l'efficienza. Attualmente, gli elettrodi per ossigeno con catalizzatori bifunzionali sono ben riportati in letteratura8,9,10. Sebbene i catalizzatori bifunzionali possano semplificare la costruzione degli elettrodi e ridurre le perdite di trasferimento di massa, contribuendo potenzialmente a ridurre i costi di produzione, in realtà un catalizzatore ottimale per l’ORR non è solitamente ottimale per l’OER e viceversa11. Questa differenza nei potenziali operativi porta all'esposizione del catalizzatore a intervalli di potenziale più ampi che possono alterarne la struttura superficiale nel tempo. Inoltre, l'interdipendenza delle energie di legame intermedie implica che i siti attivi sul catalizzatore siano probabilmente diversi per ciascuna reazione, il che causa complicazioni per l'ottimizzazione.

Un’altra grande sfida per le batterie secondarie Zn-aria è la costruzione dell’elettrodo dell’ossigeno, in gran parte perché i catalizzatori monofunzionali per ORR e OER operano in diversi ambienti di reazione. Lo strato di diffusione del gas ORR deve essere idrofobo per consentire all'ossigeno gassoso di accedere ai siti catalitici mentre, per OER, la superficie dell'elettrodo deve essere idrofila per facilitare la rimozione delle bolle di ossigeno. La Figura 1 mostra tre tipici progetti di elettrodi secondari per l'ossigeno proposti derivati ​​dalla revisione di Jörissen12, vale a dire (i) catalizzatore bifunzionale a strato singolo, (ii) catalizzatore doppio o multistrato e (iii) configurazione a tre elettrodi.