Seleção de catalisadores de redução de oxigênio para tri secundário

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6696 (2022) Citar este artigo

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Os eletrocatalisadores de reação de redução de oxigênio (ORR), que são altamente eficientes, de baixo custo, mas duráveis, são importantes para aplicações secundárias de células Zn-ar. As atividades de ORR de óxido metálico simples e misto e eletrocatalisadores de carbono foram estudadas usando medições de eletrodo de disco rotativo (RDE), inclinação de Tafel e gráficos de Koutecky-Levich. Verificou-se que MnOx combinado com XC-72R demonstrou alta atividade ORR e boa estabilidade - até 100 mA cm-2. O desempenho do eletrodo ORR selecionado e um eletrodo de reação de evolução de oxigênio (OER) previamente otimizado foi posteriormente testado em uma célula secundária Zn-ar personalizada em uma configuração de três eletrodos, e os efeitos da densidade de corrente, molaridade do eletrólito, temperatura, e a pureza do oxigênio no desempenho do eletrodo ORR e OER foram investigados. Finalmente, a durabilidade do sistema secundário Zn-ar foi avaliada, demonstrando eficiência energética de 58-61% a 20 mA cm-2 durante 40 h em 4 M NaOH + 0,3 M ZnO a 333 K.

Baterias de metal-ar com eletrodos de oxigênio são consideradas sistemas altamente atrativos, pois o material eletroativo do eletrodo de oxigênio pode ser facilmente obtido da atmosfera ambiente e não requer armazenamento1. Isso simplifica o projeto do sistema enquanto permite que o eletrodo de oxigênio tenha capacidade infinita, aumentando assim a densidade de energia do sistema2. As baterias metal-ar que incorporam o uso de materiais anódicos como Li, Al, Fe, Zn e Mg surgiram, portanto, como resultado de suas excelentes capacidades específicas3. Entre elas, as baterias de Zn-ar são altamente capazes de atender às demandas do mercado de custo, segurança e respeito ao meio ambiente porque o Zn possui várias propriedades desejáveis ​​como material anódico, como boa estabilidade em eletrólitos aquosos, alta energia específica, baixo potencial de equilíbrio, reversibilidade eletroquímica, boa condutividade, abundância e facilidade de manuseio4,5. Atualmente, enquanto as baterias primárias Zn-ar são encontradas em aplicações comerciais, como aparelhos auditivos, sinais ferroviários e luzes de navegação4, as baterias secundárias Zn-ar possuem o potencial para altas densidades de energia específicas equivalentes às baterias à base de lítio. Isso faz com que a investigação contínua de baterias Zn-ar valha a pena para aplicações em dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos, armazenamento de energia em escala de rede e suporte à geração de energia renovável6,7.

Um dos principais desafios é aumentar a eficiência das reações de oxigênio (ou seja, reação de redução de oxigênio (ORR) e reação de evolução de oxigênio (OER)) no eletrodo de ar, visando facilitar a comercialização das baterias secundárias Zn-ar. Para isso, um eletrocatalisador eficaz pode ser empregado para aumentar a taxa de reação e, portanto, a eficiência. Atualmente, eletrodos de oxigênio com catalisadores bifuncionais são bem relatados na literatura8,9,10. Embora os catalisadores bifuncionais possam simplificar a construção do eletrodo e reduzir as perdas de transferência de massa, potencialmente ajudando a reduzir o custo de produção, na realidade, um catalisador ideal para ORR geralmente não é ideal para OER e vice-versa11. Essa diferença nos potenciais operacionais leva à exposição do catalisador a faixas de potencial mais amplas que podem alterar sua estrutura de superfície ao longo do tempo. Além disso, a interdependência das energias de ligação intermediárias implica que os sítios ativos no catalisador provavelmente serão diferentes para cada reação, o que causa complicações para a otimização.

Outro grande desafio para as baterias secundárias Zn-ar é a construção do eletrodo de oxigênio, principalmente porque os catalisadores monofuncionais para ORR e OER operam em diferentes ambientes de reação. A camada de difusão de gás ORR deve ser hidrofóbica para permitir que o oxigênio gasoso acesse os locais catalíticos, enquanto, para OER, a superfície do eletrodo deve ser hidrofílica para facilitar a remoção de bolhas de oxigênio. A Figura 1 demonstra três projetos típicos de eletrodos de oxigênio secundário propostos derivados da revisão de Jörissen12, ou seja, (i) catalisador bifuncional de camada única, (ii) catalisador de camada dupla ou multicamada e (iii) configuração de três eletrodos.