Optimisation de la réaction de réduction de l'oxygène grâce à un transport massique mésoscopique amélioré dans les nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées

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Contexte académique

Avec la demande mondiale croissante en énergie verte, les piles à combustible et les batteries métal-air sont considérées comme des solutions potentielles pour la conversion et le stockage de l’énergie en raison de leur haute densité énergétique. Cependant, la commercialisation de ces technologies est limitée par la cinétique de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) à la cathode. Actuellement, le platine (Pt) et ses alliages, en raison de leur processus à quatre électrons efficace et de leurs excellentes propriétés catalytiques, sont considérés comme les catalyseurs ORR les plus efficaces. Cependant, la rareté et le coût élevé du platine ont incité les chercheurs à explorer des catalyseurs électrochimiques non précieux, voire sans métal, pour remplacer les matériaux à base de platine.

Les matériaux à base de carbone, en raison de leur haute conductivité, de leur faible coût et de leur résistance à la corrosion, sont considérés comme des candidats prometteurs. Cependant, par rapport aux catalyseurs à base de platine, les matériaux à base de carbone nécessitent généralement des charges plus élevées pour atteindre des performances similaires. Des charges élevées entraînent une augmentation de la résistance au transport de masse, ce qui affecte les performances globales des dispositifs. Par conséquent, le développement de matériaux carbonés capables de maintenir un transport efficace des réactifs dans des conditions de charge élevée est devenu une direction de recherche importante.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Chuyi Zhao, Lei Tan, Jingsan Xu, Xiaotong Wu, Yuanyuan Cui, Chao Lin, Xiaopeng Li, Teng Long et Wei Luo, provenant d’institutions telles que l’Université de Donghua, l’Université de Technologie du Queensland, l’Université de Technologie de Ningbo et l’Université Jiao Tong de Shanghai. L’article a été publié le 19 novembre 2024 dans la revue Advanced Fiber Materials.

Processus de recherche

1. Synthèse des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées (OMCNFs)

L’équipe de recherche a synthétisé des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées par électrofilage. Tout d’abord, une solution précurseur a été préparée en utilisant du polystyrène (PS) et un copolymère à blocs poly(oxyde d’éthylène)-polystyrène (PEO-b-PS) comme modèle souple, et de la résine (resol) comme source de carbone. Au cours de l’électrofilage, l’évaporation rapide du solvant a entraîné l’agrégation et l’auto-assemblage des micelles en une structure ordonnée. Ensuite, le modèle a été éliminé par pyrolyse pour obtenir des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées (OMCNFs).

2. Préparation des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées dopées à l’azote et au soufre (NS-OMCNFs)

Pour améliorer davantage les performances catalytiques, l’équipe a dopé les OMCNFs avec de l’azote (N) et du soufre (S) par pyrolyse de la thiourée. Les étapes spécifiques comprenaient le mélange des OMCNFs avec de la thiourée, suivie d’une pyrolyse sous atmosphère d’azote, aboutissant à des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées dopées à l’azote et au soufre (NS-OMCNFs).

3. Tests de performances électrochimiques

L’équipe a testé les performances de réduction de l’oxygène (ORR) des NS-OMCNFs et les a comparées à celles des nanofibres de carbone mésoporeuses désordonnées (NS-NMCNFs) et du catalyseur commercial Pt/C. Les tests comprenaient la voltampérométrie linéaire (LSV), les tests sur électrode à disque rotatif (RRDE) et l’analyse par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS).

4. Évaluation des performances des batteries zinc-air

Pour vérifier le potentiel d’application pratique des NS-OMCNFs, l’équipe a assemblé des batteries zinc-air (ZAB) en utilisant les NS-OMCNFs comme électrode à air et a testé leurs performances de décharge, leur densité de puissance et leur stabilité cyclique.

Résultats principaux

1. Caractérisation structurelle

Les images obtenues par microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique à transmission (TEM) montrent que les NS-OMCNFs présentent une structure fibreuse continue avec une surface lisse et des mésopores uniformément ordonnés. Les analyses par diffraction des rayons X (XRD) et spectroscopie Raman indiquent que le dopage à l’azote et au soufre a introduit avec succès des sites de défauts, améliorant l’activité électrocatalytique du matériau.

2. Performances électrochimiques

Les tests ORR ont montré que les NS-OMCNFs présentent une excellente activité catalytique en milieu alcalin, avec un potentiel de demi-onde (E1/2) de 0,85 V, comparable à celui du Pt/C commercial. Après augmentation de la charge du catalyseur, les performances des NS-OMCNFs se sont encore améliorées, tandis que celles du Pt/C ont diminué en raison de l’augmentation de la résistance au transport de masse. L’analyse par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) a révélé que le coefficient de diffusion des ions hydroxyde (DOH-) des NS-OMCNFs est 26 fois supérieur à celui des NS-NMCNFs et 206 fois supérieur à celui du Pt/C.

3. Performances des batteries zinc-air

Dans les batteries zinc-air à électrolyte aqueux, les NS-OMCNFs ont atteint une densité de puissance maximale de 122,4 mW/cm², dépassant significativement celle du Pt/C. Dans les batteries zinc-air à électrolyte solide, les NS-OMCNFs ont également démontré une excellente stabilité cyclique, maintenant des performances stables après 40 heures de cycles de charge-décharge.

Conclusion

Cette étude a réussi à synthétiser des nanofibres de carbone mésoporeuses ordonnées dopées à l’azote et au soufre (NS-OMCNFs), qui ont montré des performances supérieures à celles des catalyseurs traditionnels à base de platine et des fibres de carbone mésoporeuses désordonnées dans la réaction de réduction de l’oxygène. La structure mésoporeuse ordonnée a considérablement amélioré l’efficacité du transport de masse, permettant des performances électrocatalytiques exceptionnelles sous des charges élevées. De plus, l’application des NS-OMCNFs dans les batteries zinc-air a démontré leur potentiel considérable dans les dispositifs énergétiques pratiques.

Points forts de la recherche

  1. Structure mésoporeuse ordonnée : La technique d’électrofilage et d’auto-assemblage a permis de synthétiser avec succès des nanofibres de carbone avec une structure mésoporeuse ordonnée, améliorant significativement l’efficacité du transport de masse.
  2. Dopage à l’azote et au soufre : La méthode de pyrolyse de la thiourée a permis de doper avec succès les fibres de carbone avec de l’azote et du soufre, introduisant de nombreux sites actifs et améliorant les performances catalytiques.
  3. Performances sous charge élevée : Les NS-OMCNFs ont maintenu d’excellentes performances électrocatalytiques sous des charges élevées de catalyseur, surmontant le problème de la baisse de performance des catalyseurs traditionnels sous des charges élevées.
  4. Potentiel d’application pratique : Dans les batteries zinc-air, les NS-OMCNFs ont montré une densité de puissance élevée et une excellente stabilité cyclique, démontrant leur valeur dans les dispositifs énergétiques pratiques.

Autres informations utiles

Cette étude a été soutenue par des projets financés par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (52225204, 52173233, 52402231) et le Programme d’innovation de la Commission de l’éducation de Shanghai (2021-01-07-00-03-E00109), entre autres.