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

De wereld is op zoek naar schonere manieren om energie op te slaan, weg van fossiele brandstoffen die de lucht vervuilen en de planeet opwarmen. Onder de vele technologieën die worden verkend, vallen oplaadbare zink-luchtbatterijen op als een veelbelovende optie. Deze apparaten werken als een hybride tussen een traditionele batterij en een brandstofcel. Ze gebruiken een zinkmetalen plaat als de ene kant en halen zuurstof uit de lucht voor de andere kant, waardoor elektriciteit ontstaat door een chemische reactie. De energie die ze kunnen vasthouden is theoretisch zeer hoog, en omdat ze watergebaseerde vloeistoffen gebruiken in plaats van brandbare chemicaliën, zijn ze inherent veilig en gemaakt van materialen die goedkoop en overvloedig zijn. Echter, een grote hindernis heeft hen ervan weerhouden een mainstream energiebron te worden: de chemische reacties die in de batterij plaatsvinden zijn te traag. Specifiek de processen die zuurstof verbruiken om elektriciteit op te wekken en het omgekeerde proces dat zuurstof vrijgeeft om de batterij op te laden, hebben moeite om aan de vraag te voldoen. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers speciale materialen nodig, genaamd katalysatoren, die deze reacties kunnen versnellen. De beste katalysatoren die momenteel beschikbaar zijn, zijn gemaakt van zeldzame en dure metalen zoals platina, die schaars zijn en te veel kosten voor wijdverspreid gebruik.

Een team onderzoekers van universiteiten in China heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld om dit probleem op te lossen door een katalysator te creëren die zowel effectief als betaalbaar is. In plaats van te vertrouwen op zeldzame metalen, combineerden ze twee veelvoorkomende overgangsmetalen, kobalt en nikkel, met een vorm van koolstof afgeleid van een natuurlijk, biologisch afbreekbaar materiaal genaamd chitosan. Chitosan komt uit de schilden van crustaceeën, een afvalproduct dat vaak wordt weggegooid. De onderzoekers namen dit afval, verwerkten het tot een poreus koolstofmateriaal, en groeiden vervolgens minuscule structuren van kobalt- en nikkelfosfide daarop. Fosfide is een verbinding waarbij metaalatomen gebonden zijn met fosfor, een substantie die bekend staat om het goed geleiden van elektriciteit. Door deze elementen met elkaar te mengen, creëerde het team een composietmateriaal dat fungeert als een krachtige katalysator voor zowel de zuurstofconsumperende als de zuurstofvrijgevende reacties die nodig zijn voor een batterij.

De onderzoekers testten hun nieuwe materiaal, dat ze CoNiP@NC noemden, in een laboratoriumsetting om te zien hoe goed het presteerde vergeleken met de dure gouden standaard katalysatoren. Ze ontdekten dat het nieuwe materiaal opmerkelijk efficiënt was. Wanneer ze maten hoe gemakkelijk het de reactie kon starten om zuurstof te consumeren, vereiste het een spanning van 0,876 volt, een cijfer dat zeer dicht bij de prestaties van de dure platina-gebaseerde katalysatoren ligt. Wanneer ze maten hoe goed het zuurstof kon vrijgeven om de batterij op te laden, had het slechts een extra duwtje van 503 millivolt nodig, wat beter is dan de benchmarkmaterialen waarmee ze het vergeleken. In eenvoudige bewoordingen kon de nieuwe katalysator de noodzakelijke chemische reacties aandrijven met minder energieverlies dan de traditionele dure opties. Het team ontdekte ook dat de specifieke combinatie van kobalt en nikkel cruciaal was. Wanneer ze vergelijkbare materialen testten met andere metalen zoals mangaan of ijzer in plaats van nikkel, was de prestatie niet zo goed. De nikkelatomen leken de elektronische omgeving van het kobalt te veranderen, waardoor de actieve plaatsen op het oppervlak effectiever werden in hun taak.

Om te begrijpen waarom deze combinatie zo goed werkte, gebruikten de onderzoekers krachtige computersimulaties om het gedrag van de atomen op een microscopisch niveau te bekijken. Deze berekeningen lieten zien dat de aanwezigheid van nikkel de energiebarrière voor de chemische reacties verlaagde, waardoor het makkelijker werd voor het proces om plaats te vinden. De simulaties onthulden ook dat de stikstofgedoteerde koolstofdrager een vitale rol speelde. Het koolstofmateriaal was niet alleen een passieve drager voor de metaaldeeltjes; het bood zijn eigen actieve plaatsen voor de reactie en hielp de metaalstructuren te stabiliseren zodat ze in de loop van de tijd niet zouden afbreken. De poreuze aard van de koolstof, gecreëerd uit de chitosan, zorgde er ook voor dat gassen en vloeistoffen gemakkelijk doorheen konden stromen, waardoor de actieve plaatsen altijd toegankelijk bleven. Deze synergie tussen de metaaldeeltjes en de koolstofdrager creëerde een stabiel en hoogactief systeem.

De ultieme test voor deze nieuwe katalysator was het bouwen van een werkende zink-luchtbatterij om te zien hoe lang deze zou meegaan. De onderzoekers assembleerden een batterij met gebruik van hun nieuwe materiaal als de lucht-elektrode en een zinkplaat als de andere zijde. Ze lieten de batterij herhaaldelijk laden en ontladen bij een constante stroom. De batterij die de nieuwe katalysator gebruikte, draaide 240 uur voordat er tekenen van significante slijtage zichtbaar werden. In contrast hiermee hield een controlebatterij, gebouwd met de standaardmengeling van platina en een ander duur metaaloxide, slechts 110 uur stand onder dezelfde omstandigheden. Dit resultaat toonde aan dat het nieuwe, goedkopere materiaal niet alleen efficiënter was in het aandrijven van de reacties, maar ook duurzamer over een langere periode. De batterij behield een constante spanning gedurende veel langer, wat suggereert dat de katalysator niet zo snel degradeerde als de traditionele materialen.

Het succes van dit werk ligt in de slimme integratie van verschillende componenten. De onderzoekers hebben de materialen niet simpelweg gemengd; ze hebben een systeem ontworpen waarin de uit biomassa afgeleide koolstof, het kobalt en het nikkel in harmonie samenwerken. De koolstof bood een geleidend, poreus raamwerk dat de metaalplaatsen blootstelde aan de elektrolyt, terwijl het bimetallische fosfide de specifieke chemische eigenschappen bood die nodig zijn om de reacties te versnellen. Het gebruik van chitosan als startpunt pakte ook een milieuprobleem aan door een afvalproduct te veranderen in een hoogtechnologisch component. Hoewel de nieuwe katalysator de open-circuit spanning van de platina-gebaseerde batterij niet exact evenaarde, maakt de superieure levenscyclus en de lagere kosten het een overtuigend alternatief voor toekomstige energieopslag. De studie suggereert dat door de elektronische structuur van veelvoorkomende metalen zorgvuldig af te stemmen en deze te ondersteunen met duurzame koolstofmaterialen, het mogelijk is om hoogwaardige batterijen te creëren zonder afhankelijk te zijn van schaarse hulpbronnen. Deze aanpak biedt een praktisch pad om zink-luchtbatterijen een levensvatbare optie te maken voor de opslag van hernieuwbare energie op grote schaal.