Un equipo de investigadores logró desarrollar una técnica basada en la ingeniería de sales fundidas para reestructurar catalizadores de hierro, nitrógeno y carbono (Fe-N-C), abriendo la puerta al desarrollo de baterías de zinc-aire más eficientes y económicas. El estudio, publicado en la revista eScience Energy, contó con la participación de científicos de la Universidad de Birmingham, la Universidad China de Hong Kong-Shenzhen y la Universidad de Sichuan.
El desafío de reemplazar los metales costosos
Los catalizadores basados en platino han sido tradicionalmente la opción estándar para acelerar la reacción de reducción de oxígeno (ORR), un proceso catódico clave tanto en celdas de combustible como en baterías de zinc-aire. Sin embargo, su elevado costo impulsó la búsqueda de alternativas más accesibles, como las estructuras de hierro, nitrógeno y carbono, especialmente cuando el hierro se aísla en sitios activos atómicos individuales.
A pesar de sus ventajas, los catalizadores derivados del entramado zeolítico de imidazolato Fe-ZIF-8 solían mantener una estructura microporosa tridimensional muy compacta. Esta disposición provocaba que muchos sitios reactivos quedaran enterrados e inutilizados. Además, la coordinación habitual de tipo Fe-N₄ tendía a unirse con demasiada fuerza a los intermediarios de la reacción, limitando el rendimiento catalítico.
Transformación estructural mediante sales fundidas
Para superar estas limitaciones, el equipo mezcló el precursor Fe-ZIF-8 con una combinación eutéctica de cloruro de potasio y cloruro de zinc (KCl/ZnCl₂) antes de someterlo a pirólisis a altas temperaturas. El cloruro de zinc facilitó la desintegración de la red del ZIF-8, mientras que el entorno líquido de sales fundidas permitió que los fragmentos se dispersaran y se reconstruyeran en forma de nanosábanas de carbono bidimensionales.
Las pruebas mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de gran ángulo (HAADF-STEM) y difracción de rayos X (XRD) confirmaron la presencia de hierro disperso de manera atómica, sin residuos cristalinos ni partículas metálicas tras el lavado. Este cambio estructural elevó la superficie específica BET desde 302,6 m²/g en el catalizador convencional hasta 1.474,2 m²/g en la versión laminada, dejando más sitios activos expuestos. Asimismo, las espectroscopías XANES y EXAFS revelaron la formación predominante de sitios atómicos Fe-N₅ con coordinación axial.
Rendimiento superior en ensayos electroquímicos
En las evaluaciones electroquímicas desarrolladas en una solución 0,1 molar de hidróxido de potasio (KOH), el catalizador laminado registró un potencial de media onda de 0,874 voltios frente al electrodo reversible de hidrógeno (RHE). Este valor supera en 38 milivoltios al mostrado por el catalizador comercial de platino sobre carbono (Pt/C).
El nuevo material demostró además una baja pendiente de Tafel y un mecanismo de reacción eficiente de cuatro electrones, confirmando que la combinación de una estructura abierta con la modulación de la coordinación atómica mejora el desempeño para la tecnología de baterías de zinc-aire.