Cependant, la lenteur des processus cinétiques des cathodes à air limite le développement de la technologie des batteries Zn-air, à savoir la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) pendant la décharge et la réaction de dégagement d'oxygène (OER) pendant la charge. Par conséquent, des électrocatalyseurs efficaces sont nécessaires pour favoriser ces deux réactions.
En règle générale, les électrocatalyseurs à base de métaux nobles tels que le platine (Pt) sont efficaces pour l'ORR, tandis que les oxydes de ruthénium (Ru) et d'iridium (Ir) sont efficaces pour les REL. Cependant, l’activité catalytique bifonctionnelle insatisfaisante, la faible stabilité, la faible abondance et le prix élevé des catalyseurs à métaux nobles entravent inévitablement leur application pratique. Par conséquent, concevoir des catalyseurs efficaces et peu coûteux avec une activité catalytique bifonctionnelle pour l'ORR et l'OER reste un grand défi.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont cherché à développer des électrocatalyseurs bifonctionnels sans métaux nobles, notamment les métaux de transition (Fe, Co, Ni et Mn), les alliages métalliques, les oxydes, les nitrures, les hydroxydes et les phosphures. Parmi ces produits chimiques, les alliages de métaux de transition ont suscité un grand intérêt en raison de leur faible prix et de leur activité catalytique élevée pour l'ORR et les REL.
Des études approfondies ont montré que les catalyseurs à base de fer peuvent fournir une excellente activité catalytique pour l'ORR, mais que leurs performances catalytiques en OER sont médiocres, tandis que les catalyseurs à base de nickel ont des performances exceptionnelles en OER, et il ne fait aucun doute que la combinaison de Fe et de Ni est un choix judicieux pour la construction de catalyseurs bifonctionnels efficaces.
Les électrocatalyseurs en alliage FeNi présentant simultanément de bonnes activités catalytiques ORR et OER sont hautement souhaitables. Il y a eu quelques progrès dans cette direction; cependant, les pièces métalliques souffrent toujours d'une durabilité insuffisante car des réactions redox répétées peuvent conduire à une dissolution du métal dans les solutions aqueuses.
L’équilibre entre l’activité catalytique et la durabilité des électrocatalyseurs en alliage est l’un des défis majeurs pour obtenir d’excellentes performances. Pour résoudre ce problème, une stratégie de cotte de mailles efficace consiste à construire une structure d'encapsulation avec des matériaux en carbone.
L’environnement de la réaction chimique, qui comprend généralement des molécules en réaction dans une solution liquide, la température et divers champs physiques, est comme le champ de bataille sur lequel les catalyseurs s’affrontent. La couche de carbone stabilisée protège le noyau métallique interne de l'environnement de réaction destructeur.
Il est donc décrit au sens figuré comme des catalyseurs de cotte de mailles. La cotte de mailles doit non seulement être un matériau robuste pour séparer et protéger le catalyseur des environnements corrosifs, mais doit également être capable de transférer l'activité catalytique à sa surface extérieure, qui participe ensuite à la réaction catalytique.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Zhen Zhou de l'Université de Zhengzhou, en Chine, a conçu un catalyseur de cotte de mailles très prometteur nommé FeNi@NC, comprenant des coques de carbone ultrafines encapsulant des nanoparticules d'alliage FeNi sur des nanofeuilles de type graphène dopées au N. Les forts effets synergiques entre les alliages FeNi et les coques en carbone dopés au N se traduisent par une activité catalytique bifonctionnelle exceptionnelle, en particulier dans les milieux alcalins.
Par conséquent, les batteries Zn-air intégrant FeNi@NC comme catalyseur démontrent des performances exceptionnelles, fonctionnant de manière fiable à une densité de puissance élevée avec une durée de vie prolongée. De plus, des analyses informatiques ont fourni une confirmation supplémentaire de l'activité catalytique et ont révélé que le transfert d'électrons des nanoparticules d'alliage FeNi vers les coques de carbone active la surface du carbone, conduisant à des performances catalytiques améliorées.
Cette recherche met non seulement en lumière la conception et la synthèse rationnelles de matériaux carbonés dopés par des hétéroatomes supportant les alliages de métaux de transition à croissance limitée, mais offre également une solution pratique pour faire progresser l'application des batteries Zn-air.
La recherche est publiée dans le Chinese Journal of Catalysis .
Plus d'informations : Yibo Guo et al, Révolutionner les batteries Zn-Air avec des catalyseurs en cotte de mailles :alliages FeNi ultraminces encapsulés dans du carbone sur du graphène dopé au N pour une électrocatalyse améliorée de l'oxygène, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI :10.1016/S1872-2067(23)64603-0
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
