Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

Le monde recherche des moyens plus propres pour stocker l'énergie, s'éloignant des combustibles fossiles qui polluent l'air et réchauffent la planète. Parmi les nombreuses technologies explorées, les batteries zinc-air rechargeables se distinguent comme une option prometteuse. Ces dispositifs fonctionnent comme un hybride entre une batterie traditionnelle et une pile à combustible. Ils utilisent une plaque de métal zinc comme un côté et tirent l'oxygène de l'air pour l'autre, créant de l'électricité grâce à une réaction chimique. L'énergie qu'elles peuvent contenir est théoriquement très élevée, et parce qu'elles utilisent des liquides à base d'eau plutôt que des produits chimiques inflammables, elles sont intrinsèquement sûres et fabriquées à partir de matériaux peu coûteux et abondants. Cependant, un obstacle majeur les a empêchées de devenir une source d'énergie dominante : les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur de la batterie sont trop lentes. Plus précisément, les processus qui consomment l'oxygène pour créer de l'électricité et le processus inverse qui libère l'oxygène pour recharger la batterie peinent à suivre la demande. Pour y remédier, les scientifiques ont besoin de matériaux spéciaux appelés catalyseurs qui peuvent accélérer ces réactions. Les meilleurs catalyseurs actuellement disponibles sont faits de métaux rares et coûteux comme le platine, qui sont rares et coûtent trop cher pour une utilisation généralisée.

Une équipe de chercheurs issus d'universités chinoises a développé une nouvelle approche pour résoudre ce problème en créant un catalyseur qui soit à la fois efficace et abordable. Au lieu de compter sur des métaux rares, ils ont combiné deux métaux de transition courants, le cobalt et le nickel, avec une forme de carbone dérivée d'un matériau naturel et biodégradable appelé chitine. La chitine provient des carapaces de crustacés, un déchet souvent jeté. Les chercheurs ont pris ce déchet, l'ont transformé en un matériau de carbone poreux, puis y ont fait croître de minuscules structures de phosphure de cobalt et de nickel. Le phosphure est un composé où les atomes métalliques sont liés au phosphore, une substance connue pour bien conduire l'électricité. En mélangeant ces éléments, l'équipe a créé un matériau composite qui agit comme un puissant catalyseur pour les réactions de consommation et de libération d'oxygène nécessaires à une batterie.

Les chercheurs ont testé leur nouveau matériau, qu'ils ont nommé CoNiP@NC, dans un cadre de laboratoire pour voir comment il se comportait par rapport aux catalyseurs coûteux qui servent de référence. Ils ont constaté que le nouveau matériau était remarquablement efficace. Lorsqu'ils mesuraient la facilité avec laquelle il pouvait démarrer la réaction de consommation d'oxygène, il nécessitait une tension de 0,876 volt, un chiffre très proche de la performance des catalyseurs coûteux à base de platine. Lorsqu'ils mesuraient la capacité du matériau à libérer l'oxygène pour recharger la batterie, il ne nécessitait qu'une poussée supplémentaire de seulement 503 millivolts, ce qui est meilleur que les matériaux de référence contre lesquels ils l'ont testé. En termes simples, le nouveau catalyseur pouvait piloter les réactions chimiques nécessaires avec moins de perte d'énergie que les options traditionnelles coûteuses. L'équipe a également découvert que la combinaison spécifique de cobalt et de nickel était cruciale. Lorsqu'ils ont testé des matériaux similaires utilisant d'autres métaux comme le manganèse ou le fer au lieu du nickel, la performance n'était pas aussi bonne. Les atomes de nickel semblaient modifier l'environnement électronique du cobalt, rendant les sites actifs à la surface plus efficaces dans leur tâche.

Pour comprendre pourquoi cette combinaison fonctionnait si bien, les chercheurs ont utilisé de puissantes simulations informatiques pour observer le comportement des atomes à un niveau microscopique. Ces calculs ont montré que la présence du nickel abaissait la barrière énergétique des réactions chimiques, facilitant ainsi le processus. Les simulations ont également révélé que le support de carbone dopé à l'azote jouait un rôle vital. Le matériau de carbone n'était pas seulement un support passif pour les particules métalliques ; il fournissait ses propres sites actifs pour la réaction et aidait à stabiliser les structures métalliques afin qu'elles ne se dégradent pas au fil du temps. La nature poreuse du carbone, créée à partir de la chitine, permettait également aux gaz et aux liquides de circuler facilement, garantissant que les sites actifs soient toujours accessibles. Cette synergie entre les particules métalliques et le support de carbone a créé un système stable et hautement actif.

Le test ultime pour ce nouveau catalyseur consistait à construire une batterie zinc-air fonctionnelle et à voir combien de temps elle durerait. Les chercheurs ont assemblé une batterie en utilisant leur nouveau matériau comme électrode à l'air et une plaque de zinc comme l'autre côté. Ils ont fait fonctionner la batterie à travers des cycles répétés de charge et de décharge à un courant constant. La batterie utilisant le nouveau catalyseur a fonctionné pendant 240 heures avant de montrer des signes d'usure significative. En revanche, une batterie de contrôle construite avec le mélange standard de platine et d'un autre oxyde métallique coûteux n'a duré que 110 heures dans les mêmes conditions. Ce résultat a démontré que le nouveau matériau, moins coûteux, était non seulement plus efficace pour piloter les réactions, mais aussi plus durable dans le temps. La batterie a maintenu une tension constante beaucoup plus longtemps, suggérant que le catalyseur ne se dégradait pas aussi rapidement que les matériaux traditionnels.

Le succès de ce travail réside dans l'intégration intelligente de différents composants. Les chercheurs n'ont pas seulement mélangé des matériaux ; ils ont conçu un système où le carbone dérivé de la biomasse, le cobalt et le nickel travaillent en harmonie. Le carbone fournit un cadre conducteur et poreux qui expose les sites métalliques à l'électrolyte, tandis que le phosphure bimétallique offre les propriétés chimiques spécifiques nécessaires pour accélérer les réactions. L'utilisation de la chitine comme point de départ a également répondu à une préoccupation environnementale, transformant un déchet en un composant de haute technologie. Bien que le nouveau catalyseur n'ait pas exactement égalé la tension en circuit ouvert de la batterie à base de platine, sa durée de cycle supérieure et son coût inférieur en font une alternative convaincante pour l'avenir du stockage d'énergie. L'étude suggère qu'en ajustant soigneusement la structure électronique de métaux communs et en les soutenant avec des matériaux de carbone durables, il est possible de créer des batteries de haute performance sans dépendre de ressources rares. Cette approche offre une voie pratique pour faire des batteries zinc-air une option viable pour le stockage de l'énergie renouvelable à grande échelle.