Pese a las ventajas que presentan las baterías de zinc-aire (ZAB), siguen existiendo desafíos como la vida útil limitada causada por la degradación del electrodo de zinc y la formación de dendritas, así como las lentas reacciones de reducción y evolución de oxígeno (ORR/OER) en el aire del cátodo. Además, la inestabilidad de los electrolitos dificulta su comercialización. El Instituto de Investigación de la Energía de Cataluña (IREC) ha coordinado una investigación para abordar estas cuestiones, que ha dado lugar a mejoras en el rendimiento de las baterías recargables de zinc.
Los investigadores han desarrollado una nueva partícula de fosfuro de alta entropía (HEP) de FeCoNiPdWP a nanoescala como cátodo de aire, lo que demuestra un prometedor rendimiento electrocatalítico bifuncional en las baterías recargables de zinc. Mientras tanto, los investigadores designaron el papel de conmutación de diferentes sitios activos de metal en fosfuros de alta entropía en reacciones redox de oxígeno.
Este progreso no solo proporciona orientación para el diseño de catalizadores bifuncionales, sino que también allana el camino para el transporte eléctrico sostenible y los sistemas de almacenamiento a gran escala del futuro.
Esta investigación, dirigida por el Departamento de Nanomateriales Funcionales del IREC, se ha realizado en colaboración con científicos del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), el Centro Nacional de Investigación Nuclear (NCBJ), el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y otras instituciones de investigación internacionales. El estudio ‘Active site switching on high entropy phosphides as bifunctional oxygen electrocatalysts for delayed/recharged Zn–air battery’ se ha publicado en la revista Energy & Environmental Science.
Alto rendimiento y estabilidad a largo plazo
Un profundo conocimiento de la naturaleza de la catálisis del sitio activo fue clave para este descubrimiento. Durante la reacción de carga para OER, la superficie de los HEP se reconstruyó en un oxihidróxido de alta entropía, donde el hierro (Fe), el cobalto (Co) y el níquel (Ni) con altos estados de oxidación sirvieron como sitios activos.
Mientras tanto, el paladio (Pd) y el wolframio (W) desempeñaron papeles cruciales en la modulación de la estructura electrónica, optimizando las energías de adsorción de los intermediarios de oxígeno y asegurando una cinética de reacción eficiente. Para la reacción de descarga para ORR, Pd emergió como el sitio activo primario, con un fuerte acoplamiento orbital.
En los HEP reconstruidos, Pd, Co y W ajustaron las vías de transferencia de electrones y mejoraron la eficiencia catalítica. Cada elemento realiza su propia función, maximizando la efectividad de la catálisis bifuncional, brindando soporte para el alto rendimiento y la estabilidad a largo plazo durante 700 horas de las baterías de zinc-aire.