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(Noticias de Nanowerk) La batería de dióxido de carbono metálico es una tecnología prometedora y respetuosa con el medio ambiente, pero su eficiencia energética es limitada. Recientemente, un equipo de investigación codirigido por químicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió una forma innovadora de resolver este problema al introducir un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, mejorando la eficiencia energética de la batería hasta en un 83 %. .
El estudio demuestra un diseño novedoso de catalizadores para la nueva generación de baterías de meta-gas que pueden contribuir a los objetivos de neutralidad de carbono.
![Representación esquemática de la batería aprótica de Li-CO2](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61637_1.jpg)
La batería de dióxido de carbono de metal puede suministrar continuamente electricidad (alta densidad de energía) para la electrónica y liberar dióxido de carbono (CO2) Fijación sin consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir CO2 Emisiones de gases de efecto invernadero en productos de valor agregado (Figura 1).
La batería de dióxido de carbono de litio en particular tiene una alta densidad de energía teórica (1876 Wh kg-1), lo que lo convierte en un candidato prometedor para la conversión de energía de próxima generación y la tecnología de almacenamiento de alto rendimiento.
metal CO2 Las baterías todavía sufren de una cinética de reacción lenta. Esto provoca un gran sobrepotencial (es decir, se requiere más voltaje o energía de lo que se determina teóricamente para impulsar la reacción de oxidación-reducción que hace que la batería funcione), baja eficiencia energética, mala reversibilidad y estabilidad de ciclos limitada.
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 conducen a las diferencias en el rendimiento de la batería», dijo el Dr. Fan Zhanxi, profesor asistente en el Departamento de Química de CityU y uno de los líderes del estudio (procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, «Mejora de la cinética de reacción en baterías apróticas de dióxido de carbono y litio con nanomateriales de metal de fase no convencionales»). «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. Fan y su equipo acumularon una amplia experiencia y conocimientos relacionados con el control preciso de la fase cristalina de los nanomateriales de base metálica, lo que les permitió seleccionar los elementos apropiados para construir sus fases no convencionales y, posteriormente, estudiar el efecto de la fase cristalina de los catalizadores en la reacción. cinética de uno en particular Tipo de electroquímica de metal-gas aprótico (es decir, sin la participación de 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 un entorno orgánico», explica el Dr. Admirador.
El equipo sintetizó nanoestructuras de iridio con una heterofase cúbica centrada en la cara (fcc)/4H no convencional mediante el control de la cinética de crecimiento de Ir en plantillas de oro (Au). En sus experimentos, el catalizador heterofásico 4H/fcc mostró una meseta de carga más baja (por debajo de 3,61 V) y una mayor eficiencia energética de hasta un 83,8 % durante el ciclo en Li-CO aprótico.2 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 experimentos y cálculos teóricos realizados por el equipo reveló que las nanoestructuras de Ir 4H/fcc generadas por la ingeniería de fase son más favorables para la formación reversible de productos de descarga cristalinos amorfos/pequeños (Figura 2), lo que reduce el sobrepotencial y promueve que el ciclo se convierta en Estabilidad de reacciones electroquímicas redox.
![Tres cinéticas de reacción electroquímica diferentes en Au@4H-Ir, Au@fcc-Ir y Au desnudo (derecha) en una batería aprótica de Li-CO2.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61637_2.jpg)
Las nanoestructuras inusuales de fase 4H/fcc-Ir funcionaron mucho mejor que el fcc-Ir convencional, logrando un excelente potencial de carga y eficiencia energética en comparación con otros catalizadores basados en metales informados que se usan en Li-CO aprótico.2 pilas
“Este estudio muestra el gran potencial de la ingeniería de fase de catalizadores en la electroquímica de gases metálicos. Abre una nueva dirección en el diseño de catalizadores para el desarrollo de sistemas sostenibles de conversión y almacenamiento de energía electroquímica”, concluyó el Dr. Admirador.
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