Gegenwärtig leidet die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) unter einer trägen Kinetik und einem hohen Überpotential, was normalerweise kostspielige Materialien auf Platinbasis (Pt) erfordert. Übergangsmetall-Einzelatom-Katalysatoren (M–N–C) wie Fe–N4 und Co–N4 mit hoher ORR-Aktivität wurden untersucht und gelten als die vielversprechendsten Katalysatoren für den Ersatz von Edelmetallen. Die geringe Dichte der aktiven Stelle und die dicke Katalysatorschicht in der Elektrode behinderten jedoch stark den Massentransfer der Elektrode. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Methoden eingeführt, beispielsweise die Verwendung einer hierarchischen porösen Struktur und ultradünner Kohlenstoffkugeln als Träger.
Ein Team unter der Leitung von Dr. Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, National Supercomputer Centers in Changsha, Hunan University) fand heraus, dass die bisher beschriebenen Katalysatoren in Form von existieren nanostrukturierte Pulver und erfordern zusätzliche Bindemittel zur Bildung der Katalysatorschicht, was die Leitfähigkeit und Stofftransportfähigkeit stark reduziert. Es bleibt eine große Herausforderung, den porösen Kohlenstoff zu einer 3D-integrierten Struktur zusammenzusetzen, und es gibt kein einfaches und effizientes Verfahren zur Herstellung einer kontrollierbaren Porenstruktur in großflächigen Elektroden.
„Wir lassen uns von der neuronalen Struktur des Gehirns des Organismus inspirieren und entwickeln eine effiziente Strategie zur Herstellung einer selbsttragenden flexiblen porösen Struktur mit der hohen Dichte von B, F-kodotierten Fe-Einzelatomstellen (Fe-SA-FPCS). As Wie auf dem Bild zu sehen ist, ist jede poröse Kohlenstoffkugel durch mehrere Kohlenstofffasern verbunden. Diese Struktur ist sehr vorteilhaft für den Elektronentransport und für den Aufbau der für die Reaktion erforderlichen dreiphasigen Grenzfläche“, sagte Wang.
Fe-SA-FPCS zeigt ein hohes ORR-Halbwellenpotential (0,89 V vs. RHE), viel höher als das von 20 % Pt/C (0,83 V vs. RHE). Bei direkter Verwendung als Elektrode in flüssigen Zn-Luft-Batterien weist Fe-SA-FPCS eine hohe Entladungsleistungsdichte von 168,4 mW cm−2 und eine überlegene Haltbarkeit auf. Die vom Fe-SA-FPCS zusammengesetzte flexible Festkörperbatterie zeigt eine stabile Lade-Entlade-Fähigkeit bei 1 mA cm−2. Die hervorragende Leistung ergibt sich aus der hierarchischen Porenstruktur, der hohen Dichte an aktiven Stellen und leitfähigen Netzwerken. Das Team zeigte, dass dieses Syntheseprotokoll für die Herstellung vielversprechender Elektrodenmaterialien in der Zukunft sehr nützlich sein könnte.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft China Chemie.
Yanwei Zhu et al, Neuron-inspiriertes Design hierarchisch poröser Kohlenstoffnetzwerke, eingebettet in einzelne Eisenstellen für eine effiziente Sauerstoffreduktion, Wissenschaft China Chemie (2022). DOI: 10.1007/s11426-022-1285-y