La bioinspiration des araignées d'eau et des écailles de poisson alimente l'électrode à air Janus pour les batteries zinc-air avancées
La conception biomimétique optimise le gradient de mouillabilité pour améliorer les performances de la batterie
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Les batteries zinc-air (ZAB) sont reconnues comme une option prometteuse pour le stockage de l'énergie durable de la prochaine génération, grâce à leur densité énergétique théorique élevée, leur respect de l'environnement et leur rentabilité. Toutefois, leur déploiement pratique a été limité par la lenteur des réactions de réduction de l'oxygène (ORR) sur les électrodes d'air et par l'inefficacité du transport de masse des réactifs et des produits, problèmes étroitement liés aux contraintes structurelles des électrodes d'air traditionnelles.
Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l'université des sciences et technologies de Jiangsu s'est inspirée de la nature et a mis au point une électrode à air asymétrique innovante grâce à une stratégie d'assemblage simple à base de carbone. Deux composants, les nanofeuillets de graphène fonctionnalisés (FGNS) et les nanotubes de carbone (FCNT), qui ancrent tous deux la phtalocyanine de fer pour la catalyse de la réduction de l'oxygène, sont utilisés comme blocs de construction. Les premiers s'assemblent en une structure lamellaire hydrophile en forme d'écaille de poisson face à l'électrolyte, facilitant l'infiltration rapide des ions, tandis que les seconds s'assemblent en une structure de villosité hydrophobe en forme de patte d'araignée exposée à l'air ambiant, favorisant l'invasion rapide de l'oxygène.
L'architecture asymétrique consciente (Asy-FCNTs-FGNSs) établit un gradient de mouillabilité continu, qui étend considérablement la zone de réaction triphasée (catalyseur solide/électrolyte liquide/oxygène gazeux) et permet un transport rapide des substances - l'oxygène de l'air vers le catalyseur, et les ions de l'électrolyte vers les sites actifs. Ces optimisations structurelles améliorent effectivement l'utilisation des sites catalytiques et la durabilité de la structure, ce qui se traduit directement par une amélioration des performances de la batterie.
La validation expérimentale confirme l'amélioration significative des performances des batteries zinc-air équipées de cette électrode bioinspirée, avec une densité de puissance de pointe de 239,3 mW cm-2, une capacité spécifique de 814,3 mAh g-1 à 10 mA cm-2 et un cycle stable de 3 696 cycles à 10 mA cm-2. Ces performances sont supérieures à celles des électrodes symétriques conventionnelles et des électrodes à air autoportantes de pointe rapportées dans des études antérieures.
Au-delà des gains de performance, la conception offre un processus de fabrication évolutif et rentable. En exploitant directement les structures optimisées des pattes d'araignées de mer et des écailles de poisson, combinées à une méthode d'assemblage simple à base de carbone, la recherche fournit un paradigme innovant pour l'optimisation de l'architecture des électrodes, qui pourrait informer le développement de dispositifs de stockage d'énergie avancés au-delà des batteries zinc-air.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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