에코 강화

2022년 10월 13일

홍콩 시립대학교

금속-이산화탄소 배터리는 유망하고 친환경적인 기술이지만 에너지 효율이 제한적이다. 최근 홍콩 시립대학교(CityU)의 화학자들이 공동으로 이끄는 연구팀은 비전통적인 상 나노물질을 촉매로 도입하여 배터리 에너지 효율을 최대 83.8%까지 향상시켜 이 문제를 극복하는 혁신적인 방법을 발견했습니다. 이 연구는 탄소 중립 목표에 기여할 수 있는 차세대 메타가스 배터리용 촉매의 새로운 디자인을 보여줍니다.

금속-이산화탄소 배터리는 전자제품에 내구성 있는 전력(높은 에너지 밀도)을 제공할 수 있고, 외부 회로에서 추가 에너지 소비 없이 이산화탄소(CO2)를 고정해 배출되는 CO2 온실가스를 부가가치 제품으로 전환할 수 있다. 특히, 리튬-이산화탄소 전지는 이론적인 에너지 밀도(1876Wh·kg-1)가 높아 차세대 고성능 에너지 변환 및 저장 기술의 유망한 후보로 꼽힌다.

그러나 금속-CO2 배터리는 여전히 느린 반응 속도로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 이는 큰 과전위(즉, 배터리를 작동시키는 산화-환원 반응을 구동하기 위해 이론적으로 결정된 것보다 더 많은 전압 또는 에너지가 필요함), 낮은 에너지 효율, 열악한 가역성 및 제한된 사이클링 안정성을 유발합니다.

CityU 화학과 조교수인 Fan Zhanxi 박사는 "연구원들은 일반적으로 복합 음극 촉매에서 금속 기반 구성 요소의 형태, 크기, 구성 요소 및 분포가 배터리 성능의 차이를 초래하는 주요 문제라고 생각합니다"라고 말했습니다. 그리고 연구의 리더 중 한 명입니다. "그러나 우리는 특히 촉매에 대한 전통적인 수정 전략이 장기적인 기술적 장애물에 직면했기 때문에 금속 가스 배터리의 에너지 효율성과 성능을 향상시키기 위한 실현 가능하고 유망한 전략이 될 수 있는 비전통적인 단계의 새로운 촉매를 준비하는 것을 발견했습니다."

Fan 박사와 그의 팀은 금속 기반 나노물질의 결정상의 정확한 조절과 관련된 광범위한 경험과 지식을 축적했으며, 이를 통해 새로운 상을 구성하는 데 적합한 요소를 선택하고 이후 촉매의 결정상이 촉매에 미치는 영향을 연구할 수 있었습니다. 특정 종류의 비양성자성(즉, 수소 이온을 포함하지 않는) 금속-가스 전기화학의 반응 역학. "그러나 이것이 유기 환경에서 음극 촉매의 이중 기능성에 대한 엄격한 요구 사항을 포함하기 때문에 이 공정이 실현되기 쉽다는 것을 의미하지는 않습니다"라고 Fan 박사는 설명했습니다.

연구팀은 금(Au) 주형에서 Ir의 성장 역학을 제어하여 기존의 4H/면심 입방체(fcc) 헤테로상을 갖는 이리듐 나노구조를 합성했습니다. 그들의 실험에서, 4H/fcc 헤테로상을 갖는 촉매는 다른 금속 기반 촉매(일반적으로 3.8V 및 에너지 효율 최대 75%).

연구팀이 수행한 실험과 이론적 계산을 결합한 결과, 위상 공학을 통해 생성된 4H/fcc Ir 나노구조는 비정질/저결정질 방전 생성물의 가역적 형성에 더 유리하여 과전압을 낮추고 전기화학적 산화환원의 순환 안정성을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 반응. 특이한 상 4H/fcc Ir 나노구조는 일반적인 fcc Ir보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘했으며, 비양성자성 Li-CO2 배터리에 사용되는 다른 보고된 금속 기반 촉매에 비해 뛰어난 전하 전위와 에너지 효율성을 달성했습니다.

"이 연구는 금속-가스 전기화학에서 촉매의 상 엔지니어링의 큰 잠재력을 보여줍니다. 이는 지속 가능한 전기화학적 에너지 변환 및 저장 시스템을 개발하기 위한 촉매를 설계하는 새로운 방향을 열었습니다"라고 Fan 박사는 결론지었습니다.