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특수학

이미지: 베이징 기술 연구소, 칭화 대학교 및 하얼빈 사범 대학교의 과학자들은 느린 전기 화학 반응인 산소 발생 반응(OER) 및 산소 환원 반응(ORR)을 촉진하기 위해 원자 전이 금속 사이트를 구성하는 전략을 제안했습니다. 실용적인 응용을 위한 고용량 및 장기간 충전 가능한 아연공기 배터리.더보기

출처: Bo-Quan Li, 베이징 공과대학

공기 중의 산소로 아연을 산화시켜 구동되는 충전식 아연공기 배터리는 깨끗하고 안전한 재생 에너지를 위한 효율적인 저장 옵션을 제공합니다. 그러나 배터리 성능은 느린 산소 전기화학 반응으로 인해 저하되었으며, 이는 확장 및 상용화에 중요한 병목 현상이 되었습니다.

10월 6일에 발표된 연구에서특수학, 중국 연구진은 두 개의 전이 금속을 결합하여 높은 전기촉매 활성을 제공함으로써 산소 반응을 촉진하는 배터리 성능 향상 전략을 설계했습니다.

태양 에너지를 포함한 대부분의 재생 가능 에너지원은 장기적인 안정성이 부족하며 전력망과 통합하려면 고효율 에너지 저장 시스템이 필요합니다. 재충전 가능한 아연공기 배터리는 초고 이론 에너지 밀도로 강력한 성능을 발휘하므로 차세대 에너지 저장을 위한 좋은 후보로 간주됩니다. 이 배터리는 공기로부터 주요 반응물 중 하나인 산소를 끌어옵니다. 독성 화합물이 포함되어 있지 않으며 재활용, 안전하게 폐기 및 새로운 아연으로 재충전할 수 있습니다.

장애물은 배터리 충전 및 방전 중에 공기 음극에서 발생하는 한 쌍의 전기화학 반응(OER(산소 발생 반응) 및 ORR(산소 환원 반응))에 있습니다.

"ORR 및 OER의 산화환원 동역학은 매우 느리고 심각한 분극을 초래하고 에너지 효율을 감소시키며 실제 재충전 가능한 아연-공기 배터리의 사이클링 수명을 제한합니다"라고 논문 저자이자 베이징 공과대학 부교수인 Bo-Quan Li가 말했습니다.

아연공기 배터리가 대규모로 실행 가능하려면 이러한 반응을 촉진해야 합니다. 귀금속 및 전이 금속(니켈, 코발트, 망간 및 철)은 예를 들어 전극과 반응물 사이의 전자 이동을 가속화하여 ORR 및 OER 동역학을 촉매하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 기술은 효과가 있지만 비용이 많이 듭니다.

귀금속 기반 전기촉매는 최첨단 전기촉매 활성을 보여주며 널리 인정받는 벤치마크 역할을 한다고 Li는 말했습니다. "그러나 높은 비용, 땅의 희소성 및 열악한 내구성으로 인해 대규모 실제 적용이 어려워졌습니다."

따라서 ORR/OER을 모두 촉매하는 고성능 귀금속이 없는 옵션에 대한 지속적인 검색은 실용적인 재충전 가능한 아연-공기 배터리에 매우 중요하다고 Li는 말했습니다.

이전 연구에서는 전도성 탄소 기판에 전이금속 원자를 삽입하면 원자 효율성, 독특한 전자 구조 및 화학 구조의 다양성으로 인해 높은 전기촉매 활성이 생성되는 것으로 나타났습니다. 그렇다면 ORR과 OER 모두에 가장 적합한 금속은 무엇일까요?

연구에서 베이징 공과대학, 칭화대학교, 하얼빈 사범대학교 연구팀은 이렇게 묻습니다. 왜 하나만 선택합니까?

"단일 유형의 활성 부위는 ORR과 OER 동역학을 동시에 촉진하여 탁월한 이중 기능적 전기촉매 활성을 제공할 수 없습니다"라고 Li는 말했습니다. "각각의 전기촉매 활성을 갖는 서로 다른 활성 부위를 구성하는 것이 다기능을 실현하기 위한 효과적인 전략으로 검증되었습니다."

연구팀은 철(Fe) 원자와 니켈(Ni) 원자라는 두 개의 원자 전이 금속 부위를 결합하고 질소가 도핑된 탄소(NC) 기판 위에 복합재를 내장했습니다. Fe는 산소 환원에 대한 높은 전기촉매 활성을 달성한 반면, Ni는 성공적으로 산소 발생을 촉진했습니다. 그들은 함께 두 반응 모두에서 고활성 전기촉매를 실현했습니다.