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Las baterías de dióxido de carbono metálico muestran un inmenso potencial como tecnología respetuosa con el medio ambiente; sin embargo, su eficiencia energética es insuficiente. Un grupo de investigación codirigido por químicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha descubierto una forma innovadora de superar este problema mediante la adición de un nanomaterial con una fase inusual como catalizador, lo que aumenta la eficiencia energética de la batería hasta en un 83 %.8 % se mejora
El estudio presenta un diseño único de catalizadores para una nueva clase de baterías de metagas que pueden beneficiar los objetivos de neutralidad en carbono.
La batería de dióxido de carbono metálico puede proporcionar energía duradera (alta densidad de energía) para la electrónica y reducir el dióxido de carbono (CO2) fijación sin consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir CO2 Emisiones de gases de efecto invernadero en artículos de valor agregado.
La batería de dióxido de carbono de litio tiene una alta densidad de energía teórica de 1876 Wh kg-1lo que la convierte en una opción asequible para la tecnología avanzada de almacenamiento y conversión de energía de alto rendimiento.
A pesar de esto, el CO metálico2 Las baterías todavía exhiben una cinética de reacción lenta. Esto da como resultado un gran sobrepotencial (es decir, se requiere más energía o voltaje de lo que se ha demostrado teóricamente para estimular la reacción de oxidación-reducción que hace que la batería funcione), mala reversibilidad, baja eficiencia energética y estabilidad de ciclo insuficiente.
Obstáculos técnicos en las estrategias tradicionales de modificación de catalizadores
Los investigadores generalmente consideran que la morfología, el tamaño, los constituyentes y la distribución de los componentes de base metálica en los catalizadores de cátodos compuestos son los principales problemas que provocan diferencias en el rendimiento de las baterías.
dr. Fan Zhanxi, Investigador Principal y Profesor Asistente, Departamento de Química, Universidad de la Ciudad de Hong Kong
«Pero descubrimos que la fabricación de catalizadores novedosos con fases no convencionales es una estrategia viable y prometedora para aumentar la eficiencia energética y el rendimiento de las baterías de metal-gas, especialmente porque las estrategias tradicionales de modificación de catalizadores han encontrado obstáculos técnicos a largo plazo». dr agregado Se agregó Fan Zhanxi.
dr. Fan y su equipo acumularon amplios conocimientos relacionados con la gestión precisa de la fase cristalina de los nanomateriales de base metálica, lo que les permitió seleccionar elementos ideales para construir sus fases inusuales y luego estudiar el efecto de la fase cristalina de los catalizadores en la cinética de reacción de un tipo específico de electroquímica de metal-gas aprótico (es decir, sin iones de hidrógeno).
Sin embargo, esto no significa que este proceso sea fácil de implementar, ya que impone requisitos estrictos sobre la bifuncionalidad de los catalizadores de cátodo en entornos orgánicos.
dr. Fan Zhanxi, Investigador Principal y Profesor Asistente, Departamento de Química, Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Los investigadores fabricaron nanoestructuras de iridio con una heterofase cúbica centrada en la cara (fcc)/4H inusual controlando la cinética de crecimiento de Ir en plantillas de oro (Au).
Durante la fase experimental, el catalizador heterofásico 4H/fcc mostró una mayor eficiencia energética hasta un 83,8 % y una meseta de carga más baja (por debajo de 3,61 V) durante el ciclo en Li-CO aprótico2 Baterías que otros catalizadores de base metálica (normalmente con un potencial de carga superior a 3,8 V y una eficiencia energética de hasta el 75 %).
Desempeño sobresaliente de nanomateriales metálicos en fase no convencional
La combinación de cálculos teóricos y experimentos realizados por los investigadores reveló que las nanoestructuras de 4H/fcc Ir formadas por ingeniería de fase son más prometedoras para la evolución reversible de elementos de descarga cristalinos amorfos/pequeños, minimizando así el sobrepotencial y aumentando la estabilidad cíclica de la electroquímica. reacciones redox.
Las nanoestructuras de fase no convencional 4H/fcc-Ir funcionaron mucho mejor que el fcc-Ir estándar y lograron un excelente potencial de carga y eficiencia energética que otros catalizadores basados en metales establecidos aplicados en Li-CO aprótico.2 pilas
Este estudio muestra el gran potencial de la ingeniería de fases de catalizadores en la electroquímica metal-gas. Abre una nueva dirección en el diseño de catalizadores para el desarrollo de sistemas sostenibles de conversión y almacenamiento de energía electroquímica.
dr. Fan Zhanxi, Investigador Principal y Profesor Asistente, Departamento de Química, Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Los resultados fueron publicados en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS). Los primeros autores son el Sr. Zhou Jingwen y el Dr. Liao Lingwen de CityU, Dr. Wang Tianshuai de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y el Sr. Chen Lin de la Academia China de Ingeniería Física (CAEP).
Los autores correspondientes son el Dr. Fan Zhanxi de CityU, el profesor Zhao Tianshou de HKUST, el profesor Gu Lin del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China y el profesor Cheng Jianli de CAEP.
Los otros miembros del equipo de CityU son el profesor Lee Chun-Sing, el Dr. Guan Zhiqiang, Dra. Chen Bo y un grupo de Ph.D. Estudiantes del departamento de química. Las principales fuentes de financiación incluyeron la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC), la sucursal de Hong Kong del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Materiales de Metales Preciosos (NPMM), la Comisión de Innovación y Tecnología de Hong Kong (ITC) y CityU.
referencia de la revista
Zhou, J. y otros. (2022) Aumento de la cinética de reacción en baterías apróticas de dióxido de carbono y litio con nanomateriales de fase metálica no convencionales. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. doi.org/10.1073/pnas.2204666119.
Fuente: https://www.cityu.edu.hk
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