جامعة جيانغسو للعلوم والتكنولوجيا الصينية تطور قطب هواء غير متماثل محاكٍ للطبيعة لتحقيق أداء قياسي في بطاريات الزنك-الهواء

استلهم فريق بحثي من جامعة جيانغسو للعلوم والتكنولوجيا الصينية من الطبيعة وطوّر قطب هواء غير متماثل مبتكر باستخدام استراتيجية تجميع تحتوي على الكربون. يستخدم هذا القطب شرائح الجرافين النانوية الوظيفية (FGNS) والأنابيب النانوية الكربونية (FCNT) كوحدات بناء، حيث يتم تثبيت الفثالوسيانين الحديدي على كليهما للحفز على اختزال الأكسجين. يتم تجميع شرائح الجرافين النانوية الوظيفية في بنية طباقية محبة للماء تشبه قشور السمك، موجهة نحو المنحل بالكهرباء لتعزيز اختراق الأيونات؛ بينما تشكل الأنابيب النانوية الكربونية الوظيفية بنية زغبية كارهة للماء تشبه أرجل عنكبوت الماء، معرضة للهواء لتسريع نقل الأكسجين.

تقوم هذه البنية غير المتماثلة (Asy-FCNTs-FGNSs) بتوسيع منطقة التفاعل ثلاثية الطور (المحفز الصلب/المنحل بالكهرباء السائل/الأكسجين الغازي) من خلال خلق تدرج مستمر في البلل، مما يحقق نقلًا سريعًا للمواد للأكسجين والأيونات. أدى تحسين البنية إلى تعزيز استخدامية وموثوقية مواقع الحفز، مما حسّن بشكل مباشر أداء بطاريات الزنك-الهواء.

تُظهر البيانات التجريبية أداءً محسنًا بشكل ملحوظ لبطاريات الزنك-الهواء المجهزة بأقطاب الهواء غير المتماثلة المحاكية للطبيعة: وصلت كثافة القدرة القصوى إلى 239.3 mW cm⁻²، وكانت السعة النوعية 814.3 mAh g⁻¹ عند 10 mA cm⁻²، وحققت عمرًا ثابتًا يبلغ 3696 دورة عند نفس كثافة التيار. تتجاوز هذه المؤشرات أقطاب الهواء المتماثلة التقليدية وأقطاب الهواء ذاتية الدعم المتقدمة المبلغ عنها سابقًا.

لا يتميز هذا التصميم بالأداء المتفوق فحسب، بل أيضًا بعملية تصنيع قابلة للتوسع وموفرة للتكلفة. من خلال البنية المحاكية للطبيعة وطرق التجميع البسيطة، تقدم هذه الدراسة نموذجًا مبتكرًا لتحسين هندسة الأقطاب الكهربائية، مما قد يدفع تطور تقنيات بطاريات الزنك-الهواء وتقنيات تخزين الطاقة المتقدمة الأخرى.