La bioinspiración de arañas acuáticas y escamas de pez impulsa el electrodo de aire Janus para pilas avanzadas de zinc-aire
El diseño biomimético optimiza el gradiente de humectabilidad para mejorar el rendimiento de la batería
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Las baterías de zinc-aire (ZAB) se consideran una opción prometedora para el almacenamiento de energía sostenible de próxima generación, gracias a su alta densidad energética teórica, su respeto por el medio ambiente y su rentabilidad. Sin embargo, su despliegue práctico se ha visto limitado por la lentitud de las reacciones de reducción del oxígeno (ORR) en los electrodos de aire y la ineficacia del transporte masivo de reactivos y productos, problemas estrechamente relacionados con las limitaciones estructurales de los electrodos de aire tradicionales.
Para resolver estos problemas, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangsu se inspiró en la naturaleza y desarrolló un innovador electrodo de aire asimétrico mediante una sencilla estrategia de ensamblaje carbonoso. Como bloques de construcción se emplean dos componentes: nanoplanchas de grafeno funcionalizadas (FGNS) y nanotubos de carbono (FCNT), ambos anclados a ftalocianina de hierro para la catálisis de reducción de oxígeno. Los primeros se ensamblan en una estructura laminar hidrófila similar a la de una escama de pez frente al electrolito, lo que facilita la rápida infiltración de iones, mientras que los segundos se organizan en una estructura de vellosidades hidrófobas similar a la de una araña de agua expuesta al aire ambiente, lo que mejora la rápida invasión de oxígeno.
La arquitectura asimétrica consciente (Asy-FCNTs-FGNSs) establece un gradiente de humectabilidad continuo, que amplía drásticamente la zona de reacción trifásica (catalizador sólido/electrolito líquido/oxígeno gaseoso) y permite el transporte rápido de sustancias: oxígeno del aire al catalizador, e iones del electrolito a los sitios activos. Estas optimizaciones estructurales mejoran eficazmente la utilización de los sitios catalíticos y la durabilidad estructural, lo que se traduce directamente en un mayor rendimiento de la batería.
La validación experimental confirma una mejora significativa del rendimiento de las pilas de zinc-aire equipadas con este electrodo bioinspirado, que alcanza una densidad de potencia máxima de 239,3 mW cm-2, una capacidad específica de 814,3 mAh g-1 a 10 mA cm-2 y ciclos estables de 3.696 ciclos a 10 mA cm-2. Este rendimiento supera al de las pilas simétricas convencionales. Este rendimiento supera al de los electrodos simétricos convencionales y al de los electrodos de aire autoportantes más avanzados de los que se ha informado en estudios anteriores.
Además de mejorar el rendimiento, el diseño ofrece un proceso de fabricación escalable y rentable. Al aprovechar directamente las estructuras optimizadas de las patas de araña de agua y las escamas de pescado, combinadas con un método sencillo de ensamblaje carbonoso, la investigación proporciona un paradigma innovador para la optimización de la arquitectura de electrodos, que podría servir de base para el desarrollo de dispositivos avanzados de almacenamiento de energía más allá de las pilas de zinc-aire.
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