Реакция восстановления кислорода является критическим этапом во многих устройствах преобразования энергии, включая ZABs. Однако реакция часто протекает с замедленной кинетикой, что ограничивает производительность батарей. Для решения этой проблемы обычно используются катализаторы на основе платины, но они дорогие, дефицитные и могут быть отравлены примесями. Исследователи искали альтернативы, которые были бы одновременно экономичными и высокоэффективными. Это исследование сосредоточено на новом классе катализаторов, называемых двухатомными катализаторами (DACs), которые состоят из двух атомов металла, тесно связанных друг с другом для повышения каталитической активности.

Команда, возглавляемая Ди Чжаном, доцентом Института перспективных исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR), использовала комбинацию вычислительного моделирования и экспериментальных методов для проектирования и создания двухатомного катализатора, изготовленного из железа (Fe) и кобальта (Co), которые соединяются с азотом. (N) и углерод (C) в пористой структуре. Этот катализатор, названный Fe1Co1-N-C, был идентифицирован как оптимальный катализатор для реакции восстановления кислорода в щелочных условиях. Уникальное сочетание материалов позволяет катализатору эффективно функционировать, что делает его многообещающим кандидатом для использования в ZABs.

Исследователи разработали катализатор Fe1Co1-N-C, сначала используя модель для прогнозирования того, как рН (кислотность) влияет на реакцию. Это привело их к созданию катализатора с нужными свойствами для достижения максимальной эффективности. Затем они синтезировали катализатор, используя метод, который включал твердые матрицы и процесс активации CO2 для создания структуры с мелкими порами. Эти поры необходимы для того, чтобы позволить реагентам проходить через материал, что улучшает общую каталитическую эффективность.

Результаты исследования были впечатляющими. Катализатор Fe1Co1-N-C продемонстрировал значительно более высокую активность по восстановлению кислорода, чем обычно используемый платиновый катализатор (Pt/C). На практике цинково-воздушные аккумуляторы на основе Fe1Co1-N-C продемонстрировали высокое напряжение разомкнутой цепи - 1,51 вольта, что означает, что они могут вырабатывать значительное количество энергии. Кроме того, батареи показали плотность энергии 1079 ватт-часов на килограмм цинка (Втч кгЗн-1), что является отличным показателем способности накапливать энергию.

В дополнение к высокому напряжению и плотности энергии аккумуляторы на основе Fe1Co1-N-C также продемонстрировали отличные показатели быстродействия, что означает, что они могут хорошо работать даже при высокой плотности тока - от 2 до 600 миллиампер на квадратный сантиметр (мА/см2). Что еще более примечательно, аккумуляторы продемонстрировали сверхдлинный срок службы - более 3600 часов и 7200 циклов при умеренном токе, что намного превосходит показатели большинства других аккумуляторов.

Чжан объясняет: "Эта работа обеспечивает эффективную и рациональную стратегию разработки и синтеза катализаторов, которые могут быть использованы в реальных приложениях. Объединив теоретические модели с практическими методами синтеза, мы смогли разработать катализатор, который может значительно улучшить характеристики цинково-воздушных аккумуляторов".

Заглядывая в будущее, Чжан и его команда планируют продолжить свои исследования, разработав еще более продвинутые методы создания двухатомных катализаторов с точным расположением атомов. Они также намерены усовершенствовать методы идентификации конкретных активных центров в катализаторах. Эти усилия направлены на дальнейшую оптимизацию производительности технологий преобразования энергии и повышение их эффективности и рентабельности для широкого использования.

Исследование было поддержано Программой поддержки Университета Тохоку, и основные результаты этого исследования доступны на платформе Digital Catalysis Platform, ресурсе, разработанном Лабораторией Хао Ли для оказания помощи в открытии и разработке новых катализаторов.