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

O mundo está à procura de formas mais limpas de armazenar energia, afastando-se dos combustíveis fósseis que poluem o ar e aquecem o planeta. Entre as muitas tecnologias que estão a ser exploradas, as baterias recarregáveis de zinco-ar destacam-se como uma opção promissora. Estes dispositivos funcionam como um híbrido entre uma bateria tradicional e uma célula de combustível. Utilizam uma placa de metal de zinco como um lado e retiram oxigénio do ar para o outro, criando eletricidade através de uma reação química. A energia que podem armazenar é teoricamente muito elevada e, porque utilizam líquidos à base de água em vez de produtos químicos inflamáveis, são inerentemente seguras e fabricadas com materiais baratos e abundantes. No entanto, um grande obstáculo tem impedido que se tornem uma fonte de energia convencional: as reações químicas que ocorrem no interior da bateria são demasiado lentas. Especificamente, os processos que consomem oxigénio para criar eletricidade e o processo inverso que liberta oxigénio para recarregar a bateria têm dificuldade em acompanhar a procura. Para resolver isto, os cientistas precisam de materiais especiais chamados catalisadores que possam acelerar estas reações. Os melhores catalisadores atualmente disponíveis são feitos de metais raros e caros, como a platina, que são escassos e custam demasiado para um uso generalizado.

Uma equipa de investigadores de universidades da China desenvolveu uma nova abordagem para resolver este problema, criando um catalisador que é simultaneamente eficaz e acessível. Em vez de depender de metais raros, combinaram dois metais de transição comuns, cobalto e níquel, com uma forma de carbono derivada de um material natural e biodegradável chamado quitosana. A quitosana provém das carapaças de crustáceos, um subproduto que é frequentemente descartado. Os investigadores pegaram neste resíduo, processaram-no num material de carbono poroso e, em seguida, cultivaram minúsculas estruturas de fosfeto de cobalto e níquel sobre ele. O fosfeto é um composto onde os átomos metálicos estão ligados ao fósforo, uma substância conhecida por conduzir bem a eletricidade. Ao misturar estes elementos, a equipa criou um material composto que atua como um poderoso catalisador tanto para as reações de consumo de oxigénio como para as de libertação de oxigénio necessárias numa bateria.

Os investigadores testaram o seu novo material, que nomearam CoNiP@NC, num ambiente de laboratório para ver o seu desempenho em comparação com os caros catalisadores de referência. Descobriram que o novo material era notavelmente eficiente. Ao medir a facilidade com que conseguia iniciar a reação para consumir oxigénio, exigiu uma voltagem de 0,876 volts, um valor muito próximo do desempenho dos caros catalisadores baseados em platina. Ao medir a eficácia com que libertava oxigénio para recarregar a bateria, precisou de um impulso adicional de apenas 503 milivolts, o que é superior aos materiais de referência contra os quais foram testados. Em termos simples, o novo catalisador conseguia impulsionar as reações químicas necessárias com menos desperdício de energia do que as opções tradicionais caras. A equipa também descobriu que a combinação específica de cobalto e níquel era crucial. Quando testaram materiais semelhantes utilizando outros metais como manganês ou ferro em vez de níquel, o desempenho não foi tão bom. Os átomos de níquel pareciam alterar o ambiente eletrónico do cobalto, tornando os locais ativos na superfície mais eficazes na sua função.

Para compreender por que razão esta combinação funcionou tão bem, os investigadores utilizaram simulações computacionais poderosas para observar o comportamento dos átomos a um nível microscópico. Estes cálculos mostraram que a presença de níquel baixou a barreira de energia para as reações químicas, facilitando a ocorrência do processo. As simulações também revelaram que o suporte de carbono dopado com azoto desempenhou um papel vital. O material de carbono não era apenas um suporte passivo para as partículas metálicas; fornecia os seus próprios locais ativos para a reação e ajudava a estabilizar as estruturas metálicas para que não se degradassem ao longo do tempo. A natureza porosa do carbono, criada a partir da quitosana, também permitiu que os gases e líquidos fluíssem facilmente, garantindo que os locais ativos estivessem sempre acessíveis. Esta sinergia entre as partículas metálicas e o suporte de carbono criou um sistema estável e altamente ativo.

O teste final para este novo catalisador foi construir uma bateria de zinco-ar funcional e ver quanto tempo duraria. Os investigadores montaram uma bateria utilizando o seu novo material como elétrodo de ar e uma placa de zinco como o outro lado. Fizeram a bateria passar por ciclos repetidos de carga e descarga a uma corrente constante. A bateria utilizando o novo catalisador funcionou durante 240 horas antes de mostrar sinais de desgaste significativo. Em contraste, uma bateria de controlo construída com a mistura padrão de platina e outro óxido metálico caro durou apenas 110 horas sob as mesmas condições. Este resultado demonstrou que o novo material, mais barato, não era apenas mais eficiente a impulsionar as reações, mas também mais durável ao longo do tempo. A bateria manteve uma voltagem constante durante muito mais tempo, sugerindo que o catalisador não se degradava tão rapidamente como os materiais tradicionais.

O sucesso deste trabalho reside na integração inteligente de diferentes componentes. Os investigadores não se limitaram a misturar materiais; eles projetaram um sistema onde o carbono derivado de biomassa, o cobalto e o níquel trabalham em harmonia. O carbono forneceu uma estrutura condutora e porosa que expõe os locais metálicos ao eletrólito, enquanto o fosfeto bimetálico ofereceu as propriedades químicas específicas necessárias para acelerar as reações. O uso da quitosana como ponto de partida também abordou uma preocupação ambiental, transformando um resíduo num componente de alta tecnologia. Embora o novo catalisador não tenha igualado exatamente a voltagem de circuito aberto da bateria baseada em platina, a sua vida de ciclo superior e o seu custo mais baixo tornam-no uma alternativa apelativa para o armazenamento de energia futuro. O estudo sugere que, ao ajustar cuidadosamente a estrutura eletrónica de metais comuns e os apoiar com materiais de carbono sustentáveis, é possível criar baterias de alto desempenho sem depender de recursos escassos. Esta abordagem oferece um caminho prático para tornar as baterias de zinco-ar uma opção viável para armazenar energia renovável em grande escala.