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

Il mondo è alla ricerca di modi più puliti per immagazzinare l'energia, allontanandosi dai combustibili fossili che inquinano l'aria e riscaldano il pianeta. Tra le molte tecnologie esplorate, le batterie ricaricabili zinco-aria si distinguono come un'opzione promettente. Questi dispositivi funzionano come un ibrido tra una batteria tradizionale e una cella a combustibile. Utilizzano una piastra di metallo di zinco come un lato e prelevano l'ossigeno dall'aria per l'altro, creando elettricità attraverso una reazione chimica. L'energia che possono contenere è teoricamente molto elevata e, poiché utilizzano liquidi a base acquosa invece di sostanze chimiche infiammabili, sono intrinsecamente sicure e costruite con materiali che sono economici e abbondanti. Tuttavia, un grande ostacolo ha impedito loro di diventare una fonte di energia mainstream: le reazioni chimiche che avvengono all'interno della batteria sono troppo lente. Nello specifico, i processi che consumano l'ossigeno per creare elettricità e il processo inverso che rilascia ossigeno per ricaricare la batteria faticano a tenere il passo con la domanda. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno bisogno di materiali speciali chiamati catalizzatori che possano accelerare queste reazioni. I migliori catalizzatori attualmente disponibili sono fatti di metalli rari e costosi come il platino, che sono scarsi e costano troppo per un uso diffuso.

Un team di ricercatori provenienti da università cinesi ha sviluppato un nuovo approccio per risolvere questo problema, creando un catalizzatore che sia efficace ed economico. Invece di fare affidamento su metalli rari, hanno combinato due metalli di transizione comuni, cobalto e nichel, con una forma di carbonio derivata da un materiale naturale e biodegradabile chiamato chitosano. Il chitosano proviene dai gusci dei crostacei, un prodotto di scarto che viene spesso scartato. I ricercatori hanno preso questo scarto, lo hanno trasformato in un materiale di carbonio poroso e poi hanno fatto crescere minuscole strutture di fosfuro di cobalto e nichel su di esso. Il fosfuro è un composto in cui gli atomi metallici sono legati al fosforo, una sostanza nota per condurre bene l'elettricità. Mescolando questi elementi, il team ha creato un materiale composito che agisce come un potente catalizzatore sia per le reazioni di consumo dell'ossigeno che per quelle di rilascio dell'ossigeno necessarie nella batteria.

I ricercatori hanno testato il loro nuovo materiale, che hanno chiamato CoNiP@NC, in un ambiente di laboratorio per vedere come si comportava rispetto ai costosi catalizzatori standard. Hanno scoperto che il nuovo materiale era straordinariamente efficiente. Quando misuravano quanto facilmente potesse avviare la reazione per consumare l'ossigeno, richiedeva una tensione di 0,876 volt, una cifra molto vicina alle prestazioni dei costosi catalizzatori a base di platino. Quando misuravano quanto bene potesse rilasciare l'ossigeno per ricaricare la batteria, necessitava di una spinta extra di soli 503 millivolt, un valore migliore rispetto ai materiali di riferimento contro cui sono stati testati. In termini semplici, il nuovo catalizzatore poteva guidare le reazioni chimiche necessarie con meno spreco di energia rispetto alle tradizionali opzioni costose. Il team ha anche scoperto che la specifica combinazione di cobalto e nichel era cruciale. Quando hanno testato materiali simili utilizzando altri metalli come manganese o ferro invece del nichel, le prestazioni non erano altrettanto buone. Gli atomi di nichel sembravano cambiare l'ambiente elettronico del cobalto, rendendo i siti attivi sulla superficie più efficaci nel loro compito.

Per capire perché questa combinazione funzionasse così bene, i ricercatori hanno utilizzato potenti simulazioni al computer per osservare il comportamento degli atomi a un livello microscopico. Questi calcoli hanno mostrato che la presenza del nichel abbassava la barriera energetica per le reazioni chimiche, rendendo più facile il processo. Le simulazioni hanno anche rivelato che il supporto di carbonio drogato con azoto giocava un ruolo fondamentale. Il materiale di carbonio non era solo un supporto passivo per le particelle metalliche; forniva i propri siti attivi per la reazione e aiutava a stabilizzare le strutture metalliche affinché non si degradassero nel tempo. La natura porosa del carbonio, creata dal chitosano, permetteva inoltre a gas e liquidi di fluire facilmente, garantendo che i siti attivi fossero sempre accessibili. Questa sinergia tra le particelle metalliche e il supporto di carbonio ha creato un sistema stabile e altamente attivo.

L'ultimo test per questo nuovo catalizzatore è stato costruire una batteria zinco-aria funzionante e vedere quanto potesse durare. I ricercatori hanno assemblato una batteria utilizzando il loro nuovo materiale come elettrodo dell'aria e una piastra di zinco come altro lato. Hanno fatto funzionare la batteria attraverso cicli ripetuti di carica e scarica a una corrente costante. La batteria utilizzando il nuovo catalizzatore è durata 240 ore prima di mostrare segni significativi di usura. Al contrario, una batteria di controllo costruita con la miscela standard di platino e un altro costoso ossido metallico è durata solo 110 ore nelle stesse condizioni. Questo risultato ha dimostrato che il nuovo, più economico materiale non era solo più efficiente nel guidare le reazioni, ma era anche più durevole nel tempo. La batteria manteneva una tensione costante per molto più tempo, suggerendo che il catalizzatore non si degradasse così velocemente rispetto ai materiali tradizionali.

Il successo di questo lavoro risiede nell'integrazione intelligente di diversi componenti. I ricercatori non si sono limitati a mescolare i materiali insieme; hanno progettato un sistema in cui il carbonio derivato dalla biomassa, il cobalto e il nichel lavorano in armonia. Il carbonio fornisce una struttura conduttiva e porosa che espone i siti metallici all'elettrolita, mentre il fosfuro bimetallico offre le specifiche proprietà chimiche necessarie per accelerare le reazioni. L'uso del chitosano come punto di partenza ha affrontato anche una preoccupazione ambientale, trasformando un prodotto di scarto in un componente high-tech. Sebbene il nuovo catalizzatore non corrispondesse esattamente alla tensione a circuito aperto della batteria a base di platino, la sua superiore durata ciclica e il costo inferiore lo rendono un'alternativa convincente per il futuro stoccaggio dell'energia. Lo studio suggerisce che, modulando attentamente la struttura elettronica di metalli comuni e supportandoli con materiali di carbonio sostenibili, è possibile creare batterie ad alte prestazioni senza dipendere da risorse scarse. Questo approccio offre una via pratica per rendere le batterie zinco-aria un'opzione valida per l'immagazzinamento dell'energia rinnovabile su larga scala.