Представлен одноатомный катализатор, повышающий плотность цинково-воздушной батареи до рекордной плотности энергии.

Долгосрочный переход к возобновляемым источникам энергии немыслим без современных технологий хранения энергии. К ним относятся батареи, в которых электричество временно хранится в виде химической энергии.

Существенным для их эффективности является наличие подходящих катализаторов, позволяющих протекать связанным химическим реакциям оптимизированным образом. Ученые в Дрездене теперь более внимательно изучили воздушно-цинковые батареи, хорошо известный тип батарей, которые в настоящее время в основном используются в качестве кнопочных элементов, например, в слуховых аппаратах. С этой целью они разработали новый катализатор с цирконием в качестве основного металла. Он может заменить платину, драгоценный металл, наиболее часто используемый в качестве катализатора на сегодняшний день, и при этом превратить батарею в электростанцию.

Новый катализатор значительно улучшает характеристики зарядки и разрядки аккумулятора. Кроме того, он очень долговечен: после 130 часов работы тестовая батарея сохранила 92 процента исходного тока.

«Это отличная цена, учитывая, что мы все еще находимся на ранней стадии разработки», — говорит д-р Агнешка Куц из Института экологии ресурсов в Гельмгольц-Центре Дрезден-Россендорф (HZDR). Она исследует химико-физические свойства аккумуляторных катализаторов.

Они часто используются в виде металлических наноструктур на подходящих материалах-носителях, при этом их атомы металла действуют как каталитически активные центры. Размер используемых металлических частиц важен для работы таких катализаторов: опыт исследований показывает, что каталитическая эффективность атомов металла обычно увеличивается, чем меньше металлические частицы, которые их содержат.

«Конечная граница — это одноатомный катализатор : изолированные атомы металла, индивидуально распределенные на носителе», — объясняет доктор Минхао Ю из Технического университета Дрездена. Он создает катализаторы, основанные на отдельных атомах переходных металлов, таких как цирконий, захваченных в углеродной матрице соседними атомами углерода или азота, лежащими в одной плоскости.

«Однако в нашем случае у нас также есть атом кислорода в качестве дополнительного координационного партнера над нашим металлом, что приводит к дальнейшему взаимодействию с электронной структурой циркония», — говорит Ю, подчеркивая особенность, которая может привести к новой конструкции. стратегия для усовершенствованных одноатомных катализаторов.

Катализатор предназначен для уменьшения последствий явления, которое ограничивает практическую эффективность многих электрохимических реакций: так называемого перенапряжения, меры отклонения реального химического состава в аккумуляторной ячейке от того, что на самом деле можно было бы ожидать теоретически. «По сути, это означает, что мы можем использовать меньше энергии, чем предсказывает термодинамика», — объясняет Кук.

Хитрая миниатюризация

Катализаторы снижают этот перенапряжение и, таким образом, становятся ключом к эффективности преобразования химической энергии в электрическую. Сегодня катализаторы на основе платины являются эталоном в области химии аккумуляторов для коммерческого применения. Однако у них есть недостаток: платина встречается в земной коре лишь в небольших количествах и поэтому очень дорога.

Поэтому разработка новых катализаторов на основе менее благородных металлов в качестве жизнеспособных альтернатив была в центре внимания исследований в последние десятилетия. И теперь ученые из Дрездена отстаивают действительно рекордного кандидата: цирконий из неблагородного металла.

Исследователи из Дрезденского технического университета, Института химической физики твердого тела им. Макса Планка (MPI-CPfS) и HZDR должны были следить за одним эффектом миниатюризации: уменьшение размера частиц способствует агломерации тех же самых частиц в небольшие кластеры.

Это, в свою очередь, приводит к ограниченной производительности, особенно при высокой плотности рабочего тока. Использование подходящего материала-носителя, который сильно взаимодействует с металлом, предотвращает эту агломерацию и создает стабильные мелкодисперсные кластеры металла с высокой каталитической активностью. При четко определенном и равномерном распределении атомов металла катализаторы позволяют достичь высокой активности и селективности.

«В нашем случае мы выделили наш синтезированный материал на поверхности кварцевых сфер, имеющих пористую структуру, выгодную для каталитических процессов. высокая нагрузка циркония. В результате мы достигли рекордной удельной мощности среди всех воздушно-цинковых батарей, которые ранее производились с одноатомными катализаторами», — сообщает Куц.