ATR-Seiras in situ y estudios Raman in situ para el mecanismo ORR. Crédito: Energía y Ciencias Ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee00215j
Un equipo de investigación ha presentado un avance para mejorar el rendimiento de las baterías de zinc-aire (ZAB), que son una importante tecnología de almacenamiento de energía. Este avance implica un nuevo catalizador que aumenta significativamente la eficiencia de la reacción de reducción de oxígeno (ORR), un proceso crucial en los zabs. El desarrollo podría conducir a baterías más eficientes y duraderas para aplicaciones prácticas.
El estudio se publica en la revista Energy & Environmental Science.
La reacción de reducción de oxígeno es un paso crítico en muchos dispositivos de conversión de energía, incluidos los zabs. Sin embargo, la reacción a menudo sufre de cinética lenta, lo que limita el rendimiento de las baterías. Para resolver esto, los catalizadores a base de platino generalmente se usan, pero son caros, escasos y pueden envenenarse por impurezas.
Los investigadores han estado buscando alternativas que sean rentables y altamente eficientes. Este estudio se centra en una nueva clase de catalizadores llamados catalizadores de doble átomo (DAC), que consisten en dos átomos metálicos estrechamente emparejados para mejorar la actividad catalítica.
El equipo, dirigido por Di Zhang, profesor asistente del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku (WPIAMR), utilizó una combinación de modelado computacional y técnicas experimentales para diseñar y crear un catalizador dual de átomos de hierro (Fe) y cobalto (CO), combinados con nitrógeno (N) y carbono (C) en una estructura porosa.
Este catalizador, llamado Fe1Co1-NC, se identificó como el catalizador óptimo para la reacción de reducción de oxígeno en condiciones alcalinas. La combinación única de materiales permite que el catalizador funcione de manera eficiente, por lo que es un candidato prometedor para su uso en Zabs.
Modelado microkinético acoplado a PH-campo de DAC en ORR. Crédito: Energía y Ciencias Ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee00215j
Los investigadores diseñaron el catalizador de Fe1Co1-NC mediante primero usando un modelo para predecir cómo el pH (acidez) afecta la reacción. Esto los guió en la creación de un catalizador con las propiedades correctas para la máxima eficiencia. Luego sintetizaron el catalizador utilizando un método que involucraba plantillas duras y un proceso de activación de CO2 para crear una estructura que tenga pequeños poros. Estos poros son esenciales para permitir que los reactivos se muevan a través del material, lo que mejora el rendimiento catalítico general.
El catalizador de Fe1Co1-NC mostró una actividad de reducción de oxígeno significativamente mayor que el catalizador de platino de uso común (PT/C). En términos prácticos, las baterías de zinc-aire basadas en Fe1Co1-NC demostraron un alto voltaje de circuito abierto de 1,51 voltios, lo que significa que pueden generar una cantidad sustancial de energía.
Además, las baterías mostraron una densidad de energía de 1.079 vatios-horas por kilogramo de zinc (WH KGZN-1), que es una excelente medida de capacidad de almacenamiento de energía.
Además de la densidad de alto voltaje y energía, las baterías basadas en Fe1Co1-NC también demostraron una excelente capacidad de velocidad, lo que significa que pueden funcionar bien incluso cuando se someten a altas densidades de corriente, que aumentan de 2 a 600 miliamperios por centímetro cuadrado (MA CM-2). Más notablemente, las baterías mostraron una vida útil ultra larga, que dura más de 3,600 horas y completó 7,200 ciclos bajo una corriente moderada, que es muy superior a la mayoría de las otras baterías.
Rendimiento de zab. Crédito: Energía y Ciencias Ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee00215j
Zhang explica: “Este trabajo proporciona una estrategia eficiente y racional para diseñar y sintetizar catalizadores que puedan usarse en aplicaciones del mundo real. Al combinar modelos teóricos con métodos de síntesis prácticos, pudimos desarrollar un catalizador que pueda mejorar significativamente el rendimiento de las baterías de zinc”.
Mirando hacia el futuro, Zhang y su equipo planean continuar su investigación desarrollando métodos aún más avanzados para crear catalizadores de doble átomo con emparejamientos atómicos precisos. También tienen la intención de mejorar las técnicas para identificar los sitios activos específicos en los catalizadores. Estos esfuerzos apuntan a optimizar aún más el rendimiento de las tecnologías de conversión de energía y hacerlas aún más eficientes y rentables para el uso generalizado.
Más información: Tingting Li et al, una síntesis guiada por modelado microkinético dependiente del pH de catalizadores porosos de doble átomo para una reducción eficiente de oxígeno en baterías Zn-Air, Energía y Ciencias Ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee00215j
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
Cita: el catalizador de doble átomo aumenta el rendimiento de las baterías de zinc-aire para aplicaciones del mundo real (2025, 15 de mayo) Recuperado el 15 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-dual-atom-catalst-boosts-zinc.html
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