La bioispirazione di ragni d'acqua e scaglie di pesce guida l'elettrodo ad aria Janus per batterie avanzate zinco-aria
Il design biomimetico ottimizza il gradiente di bagnabilità per migliorare le prestazioni della batteria
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Le batterie zinco-aria (ZAB) sono riconosciute come un'opzione promettente per l'accumulo di energia sostenibile di prossima generazione, grazie alla loro elevata densità energetica teorica, all'ecocompatibilità e all'economicità. Tuttavia, la loro diffusione pratica è stata limitata dalla lentezza delle reazioni di riduzione dell'ossigeno (ORR) sugli elettrodi ad aria e dall'inefficiente trasporto di massa di reagenti e prodotti, problemi strettamente legati ai vincoli strutturali degli elettrodi ad aria tradizionali.
Per affrontare queste sfide, un gruppo di ricerca della Jiangsu University of Science and Technology si è rivolto alla natura per trovare ispirazione, sviluppando un innovativo elettrodo ad aria asimmetrico attraverso una semplice strategia di assemblaggio carbonaceo. Come elementi costitutivi sono stati impiegati due componenti: nanoschede di grafene funzionalizzate (FGNS) e nanotubi di carbonio (FCNT) che ancorano entrambi la ftalocianina di ferro per la catalisi della riduzione dell'ossigeno. I primi si assemblano in una struttura lamellare idrofila a forma di scala di pesce rivolta verso l'elettrolita, facilitando una rapida infiltrazione di ioni; mentre i secondi si dispongono in una struttura idrofobica a forma di zampa di ragno esposta all'aria ambiente, migliorando la rapida invasione dell'ossigeno.
L'architettura asimmetrica consapevole (Asy-FCNTs-FGNSs) stabilisce un gradiente continuo di bagnabilità, che estende notevolmente la zona di reazione trifase (catalizzatore solido/elettrolita liquido/ossigeno gassoso) e consente un rapido trasporto di sostanze: ossigeno dall'aria al catalizzatore e ioni dall'elettrolita ai siti attivi. Queste ottimizzazioni strutturali migliorano effettivamente l'utilizzo dei siti catalitici e la durata della struttura, che si traducono direttamente in un miglioramento delle prestazioni della batteria.
La convalida sperimentale conferma prestazioni significativamente migliorate nelle batterie zinco-aria equipaggiate con questo elettrodo bioispirato, raggiungendo una densità di potenza di picco di 239,3 mW cm-2, una capacità specifica di 814,3 mAh g-1 a 10 mA cm-2 e un ciclo stabile di 3696 cicli a 10 mA cm-2. Queste prestazioni superano gli elettrodi simmetrici convenzionali e gli elettrodi ad aria autoportanti di ultima generazione riportati in studi precedenti.
Oltre all'aumento delle prestazioni, il progetto offre un processo di fabbricazione scalabile ed economico. Sfruttando direttamente le strutture ottimizzate delle zampe di ragno d'acqua e delle squame di pesce, combinate con un semplice metodo di assemblaggio del carbonio, la ricerca fornisce un paradigma innovativo per l'ottimizzazione dell'architettura degli elettrodi, che potrebbe informare lo sviluppo di dispositivi avanzati di stoccaggio dell'energia oltre alle batterie zinco-aria.
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