Actuellement, la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) souffre d’une cinétique lente et d’une surtension élevée, ce qui nécessite généralement des matériaux coûteux à base de platine (Pt). Les catalyseurs à un seul atome de métal de transition (M – N – C), tels que Fe – N4 et Co – N4 avec une activité ORR élevée ont été explorés et considérés comme les catalyseurs les plus prometteurs pour remplacer les métaux précieux. Cependant, la faible densité de sites actifs et l’épaisse couche de catalyseur dans l’électrode ont considérablement gêné le transfert de masse de l’électrode. Diverses méthodes ont été adoptées pour résoudre ce problème, par exemple en utilisant une structure poreuse hiérarchique et des sphères de carbone ultra-minces comme supports.
Une équipe dirigée par le Dr Shuangyin Wang (State Key Laboratory of Chemo/Bio-Sensing and Chemometrics, College of Chemistry and Chemical Engineering, the National Supercomputer Centers in Changsha, Hunan University) a découvert que les catalyseurs signalés jusqu’à présent existent sous la forme de poudres nanostructurées et nécessitent des liants supplémentaires pour former la couche de catalyseur, ce qui réduit considérablement la conductivité et la capacité de transfert de masse. Il reste un grand défi d’assembler le carbone poreux dans une structure intégrée en 3D, et il n’y a pas de méthode simple et efficace pour préparer une structure de pores contrôlable dans des électrodes de grande surface.
« Nous nous inspirons de la structure neuronale du cerveau de l’organisme et développons une stratégie efficace pour fabriquer une structure poreuse flexible autoportante avec la haute densité de sites monoatome Fe co-dopés B, F (Fe-SA-FPCS). Comme Comme on peut le voir sur la photo, chaque sphère de carbone poreux est reliée par plusieurs fibres de carbone. Cette structure est très bénéfique pour le transport des électrons et pour la construction de l’interface triphasée nécessaire à la réaction », a déclaré Wang.
Fe – SA – FPCS montre un potentiel demi-onde ORR élevé (0,89 V contre RHE), bien supérieur à celui de 20% Pt/C (0,83 V contre RHE). Lorsqu’il est directement utilisé comme électrode dans des batteries Zn-air liquides, le Fe-SA-FPCS présente une densité de puissance de décharge élevée de 168,4 mW cm-2 et une durabilité supérieure. La batterie flexible à semi-conducteurs assemblée par le Fe-SA-FPCS montre une capacité de charge-décharge stable à 1 mA cm-2. L’excellente performance provient de la structure hiérarchique des pores, de la haute densité de sites actifs et des réseaux conducteurs. L’équipe a montré que ce protocole synthétique pourrait être très utile pour la production de matériaux d’électrode prometteurs à l’avenir.
La recherche a été publiée dans Science Chine Chimie.
Yanwei Zhu et al, Conception inspirée par les neurones de réseaux de carbone hiérarchiquement poreux intégrés à des sites à fer unique pour une réduction efficace de l’oxygène, Science Chine Chimie (2022). DOI : 10.1007/s11426-022-1285-y