Выбор катализаторов восстановления кислорода для вторичного трифторида

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6696 (2022) Цитировать эту статью

2622 Доступа

2 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Электрокатализаторы реакции восстановления кислорода (ORR), которые являются высокоэффективными, недорогими и в то же время долговечными, важны для применений вторичных Zn-воздушных элементов. Активность ORR одиночных и смешанных оксидов металлов и углеродных электрокатализаторов изучали с использованием измерений вращающегося дискового электрода (RDE), наклона Тафеля и графиков Кутецкого-Левича. Установлено, что MnOx в сочетании с XC-72R демонстрирует высокую активность ORR и хорошую стабильность — до 100 мА/см2. Рабочие характеристики выбранного электрода ORR и ранее оптимизированного электрода для реакции выделения кислорода (OER) были впоследствии протестированы в изготовленной по индивидуальному заказу вторичной Zn-воздушной ячейке в трехэлектродной конфигурации, а также влияние плотности тока, молярности электролита, температуры, Было исследовано влияние чистоты кислорода на работу электродов ORR и OER. Наконец, была оценена долговечность вторичной системы Zn-воздух, продемонстрировавшая энергетическую эффективность 58–61% при 20 мА см-2 в течение 40 часов в 4 М NaOH + 0,3 М ZnO при 333 К.

Металло-воздушные батареи с кислородными электродами считаются весьма привлекательными системами, поскольку электроактивный материал кислородного электрода легко получить из окружающей атмосферы и не требует какого-либо хранения1. Это упрощает конструкцию системы, позволяя кислородному электроду иметь бесконечную емкость, тем самым увеличивая плотность энергии системы2. Таким образом, металло-воздушные батареи, в которых используются такие анодные материалы, как Li, Al, Fe, Zn и Mg, обусловлены их превосходной удельной емкостью3. Среди них Zn-воздушные батареи вполне способны удовлетворить рыночные требования по стоимости, безопасности и экологичности, поскольку Zn обладает несколькими желательными свойствами в качестве анодного материала, такими как хорошая стабильность в водных электролитах, высокая удельная энергия, низкий равновесный потенциал, электрохимическая обратимость, хорошая проводимость, обилие и простота в обращении4,5. В настоящее время, в то время как первичные Zn-воздушные батареи используются в коммерческих целях, таких как слуховые аппараты, железнодорожные сигналы и навигационные фонари4, вторичные Zn-воздушные батареи обладают потенциалом высокой удельной плотности энергии, эквивалентной батареям на основе лития. Это делает дальнейшие исследования воздушно-цинковых батарей целесообразными для применения в портативных электронных устройствах, электромобилях, хранении энергии в масштабе сети и поддержке производства возобновляемой энергии6,7.

Одной из ключевых задач является повышение эффективности кислородных реакций (т.е. реакции восстановления кислорода (ORR) и реакции выделения кислорода (OER)) на воздушном электроде, если целью является содействие коммерциализации вторичных Zn-воздушных батарей. Для этого можно использовать эффективный электрокатализатор для повышения скорости реакции и, следовательно, эффективности. В настоящее время в литературе широко описаны кислородные электроды с бифункциональными катализаторами8,9,10. Хотя бифункциональные катализаторы могут упростить конструкцию электродов и снизить потери при массопереносе, потенциально помогая снизить себестоимость производства, в действительности катализатор, который оптимален для ORR, обычно не является оптимальным для OER, и наоборот11. Эта разница в рабочих потенциалах приводит к тому, что катализатор подвергается воздействию более широкого диапазона потенциалов, что может со временем изменить структуру его поверхности. Кроме того, взаимозависимость энергий связи промежуточных соединений означает, что активные центры катализатора, вероятно, будут разными для каждой реакции, что затрудняет оптимизацию.

Еще одной серьезной проблемой для вторичных Zn-воздушных батарей является конструкция кислородного электрода, главным образом потому, что монофункциональные катализаторы для ORR и OER работают в разных реакционных средах. Газодиффузионный слой ORR должен быть гидрофобным, чтобы газообразный кислород мог получить доступ к каталитическим центрам, тогда как для OER поверхность электрода должна быть гидрофильной, чтобы облегчить удаление пузырьков кислорода. На рисунке 1 показаны три типичные предлагаемые конструкции вторичных кислородных электродов, которые взяты из обзора Йориссена12, а именно (i) бифункциональный однослойный катализатор, (ii) двойной или многослойный катализатор и (iii) трехэлектродная конфигурация.