A bioinspiração de aranhas aquáticas e escamas de peixe impulsiona o elétrodo de ar Janus para baterias avançadas de zinco-ar
O design biomimético optimiza o gradiente de molhabilidade para melhorar o desempenho da bateria
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As baterias de zinco-ar (ZABs) são reconhecidas como uma opção promissora para o armazenamento sustentável de energia da próxima geração, graças à sua elevada densidade energética teórica, ao seu carácter ecológico e à sua relação custo-eficácia. No entanto, a sua utilização prática tem sido limitada pela lentidão das reacções de redução do oxigénio (ORR) nos eléctrodos de ar e pela ineficiência do transporte de massa de reagentes e produtos - questões estreitamente relacionadas com as restrições estruturais dos eléctrodos de ar tradicionais.
Para responder a estes desafios, uma equipa de investigação da Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangsu inspirou-se na natureza, desenvolvendo um elétrodo de ar assimétrico inovador através de uma estratégia de montagem carbonosa simples. Dois componentes, que são nanofolhas de grafeno funcionalizadas (FGNSs) e nanotubos de carbono (FCNTs), ambos ancorando ftalocianina de ferro para a catálise de redução de oxigénio, são utilizados como blocos de construção. Os primeiros formam uma estrutura lamelar hidrofílica semelhante a uma escama de peixe, virada para o eletrólito, facilitando a rápida infiltração de iões; os segundos formam uma estrutura vilositária hidrofóbica semelhante a uma perna de aranha, exposta ao ar ambiente, aumentando a rápida invasão de oxigénio.
A arquitetura assimétrica consciente (Asy-FCNTs-FGNSs) estabelece um gradiente contínuo de molhabilidade, que alarga drasticamente a zona de reação trifásica (catalisador sólido/eletrólito líquido/oxigénio gasoso) e permite o rápido transporte de substâncias - oxigénio do ar para o catalisador e iões do eletrólito para os locais activos. Estas optimizações estruturais melhoram efetivamente a utilização do sítio catalítico e a durabilidade estrutural, o que se traduz diretamente num melhor desempenho da bateria.
A validação experimental confirma um desempenho significativamente melhorado nas baterias de zinco-ar equipadas com este elétrodo bioinspirado, atingindo uma densidade de potência de pico de 239,3 mW cm-2, uma capacidade específica de 814,3 mAh g-1 a 10 mA cm-2 e um ciclo estável de 3696 ciclos a 10 mA cm-2. Este desempenho é superior ao dos eléctrodos simétricos convencionais e ao dos eléctrodos de ar auto-suportados de última geração referidos em estudos anteriores.
Para além dos ganhos de desempenho, o design oferece um processo de fabrico escalável e económico. Ao aproveitar diretamente as estruturas optimizadas das patas das aranhas aquáticas e das escamas de peixe, combinadas com um método de montagem simples em carbono, a investigação fornece um paradigma inovador para a otimização da arquitetura dos eléctrodos - um paradigma que poderá servir de base ao desenvolvimento de dispositivos avançados de armazenamento de energia para além das baterias de zinco-ar.
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