NaCl-Assisted Synthesis of Co/CoS2 Heterostructures Encapsulated within N, S Co-doped Carbon Nanotubes as Electrocatalysts for Anion Exchange Membrane Fuel Cells and Rechargeable Liquid-State/flexible Zn-air Batteries

De wereld is op zoek naar betere manieren om energie op te slaan en vrij te geven, waarbij de verschuiving plaatsvindt van de eindige bronnen die onze huidige machines aandrijven naar systemen die schoner en duurzamer zijn. Onder de meest veelbelovende kandidaten zijn oplaadbare batterijen die direct zuurstof uit de lucht halen om elektriciteit op te wekken, een proces dat steunt op twee cruciale chemische reacties die tegelijkertijd plaatsvinden. De ene reactie breekt zuurstofmoleculen af om energie vrij te geven, terwijl de andere ze weer samenvoegt om energie op te slaan. Om deze batterijen goed te laten werken, zijn materialen nodig die beide reacties efficiënt kunnen versnellen. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op zeldzame en dure metalen zoals platina om deze taak te volbrengen, maar hun hoge kosten en schaarste maken ze onpraktisch voor wijdverbreid gebruik. De uitdaging is dan het vinden van een materiaal dat goedkoop, duurzaam en in staat is om beide kanten van de chemische vergelijking aan te kunnen zonder zijn kracht in de loop van de tijd te verliezen.

Een team onderzoekers aan de Inha Universiteit in Zuid-Korea heeft een nieuw materiaal ontwikkend dat deze hindernissen wegneemt door eenvoudige ingrediënten op een slimme manier te combineren. Ze creëerden een katalysator bestaande uit minuscule deeltjes die kobalt en kobaltsulfide bevatten, welke vervolgens zijn ingepakt in een beschermende schil van koolstofnanobuisjes. Deze nanobuisjes zijn niet zomaven eenvoudige buisjes; ze zijn verrijkt met stikstof- en zwavelatomen, die de elektronische eigenschappen van het materiaal aanpassen om het reactiever te maken. De sleutel tot hun succes was een specifieke fabricagetechniek die gewoon keukenzout gebruikt als een tijdelijke mal. Door de grondstoffen met zout te mengen en te verhitten, slaagden de onderzoekers erin een hoogporeuze, sponsachtige structuur te creëren die voorkomt dat de actieve deeltjes aan elkaar klonteren. Deze zoutgestuurde methode zorgt ervoor dat het eindproduct een enorme interne oppervlakte heeft, waardoor vloeistoffen en gassen er gemakkelijk doorheen kunnen stromen, wat essentieel is voor de snelle en efficiënte werking van de batterij.

Het resulterende materiaal, een complexe structuur van kobalt en kobaltsulfide ingebed in stikstof- en zwavelgedoteerde koolstofnanobuisjes, bleek opmerkelijk effectief. Wanneer het in een laboratoriumsetting werd getest, toonde het het vermogen om zowel de zuurstofvrijmakende als de zuurstofabsorberende reacties aan te drijven met een efficiëntie die die van de dure platina- en ruthenium-benchmarks evenaart of zelfs overtreft. Specifiek vereiste de nieuwe katalysator zeer weinig extra energie om de zuurstofvrijmakende reactie te starten en toonde een sterk vermogen om zuurstof te reduceren, een prestatie die cruciaal is voor de lange levensduur van een batterij. De onderzoekers ontdekten dat de unieke combinatie van de metaaldeeltjes, de beschermende koolstofbuisjes en de gedoteerde atomen een synergetisch effect creëerde. De koolstofbuisjes fungeerden als een snelweg voor de snelle doorstroom van elektriciteit, terwijl de specifieke ordening van het metaal en het sulfide een intern elektrisch veld creëerde dat hielp bij het sturen van de chemische reacties. Dit ontwerp maakte het materiaal ook ongelooflijk stabiel, waardoor het de harde chemische omgeving binnen een batterij meer dan 100 uur aan continue werking kon weerstaan, waarmee het de traditionele metaalkatalysatoren die veel eerder begonnen te degraderen, ruim overtrof.

Om te bewijzen dat dit materiaal werkt in echte apparaten, bouwde het team twee verschillende soorten batterijen. Eerst construeerden ze een standaard vloeibare zink-luchtbatterij, die een vloeibaar elektrolyt gebruikt om ionen te geleiden. In deze opstelling stelde de nieuwe katalysator de batterij in staat om een piekvermogensdichtheid van 163,57 milliwatt per vierkante centimeter te leveren, een cijfer dat de prestaties van batterijen met de standaard platina- en rutheniummix overtrof. De batterij vertoonde ook indrukwekkende uithoudingsvermogen, waarbij het zijn laad- en ontlaadcycli behield voor meer dan 100 uur zonder significant verlies van vermogen. Ten tweede testten de onderzoekers het materiaal in een flexibele, quasi-vastestandsbatterij die ontworpen is voor draagbare elektronica. Dit apparaat gebruikte een gelachtige elektrolyt in plaats van een vloeistof, waardoor de batterij gebogen en gevormd kon worden. Zelfs onder deze flexibele omstandigheden presteerde de katalysator uitzonderlijk goed, met een piekvermogensdichtheid van 95,19 milliwatt per vierkante centimeter en een stabiele prestatie gedurende meer dan 25 uur continu cyclen. De batterij bleef functioneel, zelfs wanneer deze in scherpe hoeken werd gebogen, wat aantoont dat het materiaal robuust genoeg is voor gebruik in buigbare apparaten zoals slimme kleding of inklapbare elektronica.

Het succes van dit project ligt in de nauwkeurige engineering van de microscopische structuur van het materiaal. De onderzoekers gebruikten een methode waarbij de verdamping van zink en het verwijderen van de zoutmal werd toegepast om een netwerk van minuscule poriën te creëren, wat ervoor zorgt dat het elektrolyt elke actieve plek binnen de katalysator kan bereiken. Deze poreuze architectuur, gecombineerd met het geleidende koolstofnanobuisjesnetwerk, loste het veelvoorkomende probleem op van actieve deeltjes die aan elkaar klonteren of in de loop van de tijd oplossen. De studie bevestigt dat het, door deze componenten zorgvuldig te ordenen, mogelijk is om een hoogwaardige katalysator te creëren die niet afhankelijk is van edelmetalen. De bevindingen wijzen op een duidelijke weg voorwaarts voor de ontwikkeling van betaalbare, duurzame en efficiënte energieopslagsystemen die alles van elektrische voertuigen tot draagbare technologie kunnen aandrijven, waardoor we dichter bij een toekomst komen waarin energieopslag zowel duurzaam als toegankelijk is.