화학자들은 비전통 상 나노 구조를 가진 촉매를 사용하여 친환경 배터리 성능을 향상시킵니다.

[아름이]

화학자들은 비전통 상 나노 구조를 가진 촉매를 사용하여 친환경 배터리 성능을 향상시킵니다.
날짜:
2022년 10월 13일
원천:
홍콩 시립대학교
요약:
금속-이산화탄소 전지는 유망하고 친환경적인 기술이지만 에너지 효율이 제한적입니다. 최근 연구팀은 비전통상 나노물질을 촉매로 도입해 배터리 에너지 효율을 최대 83.8% 향상시켜 이 문제를 극복할 수 있는 혁신적인 방법을 발견했다. 이 연구는 탄소 중립 목표에 기여할 수 있는 차세대 메타 가스 배터리를 위한 새로운 촉매 설계를 보여줍니다.


금속-이산화탄소 전지는 유망하고 친환경적인 기술이지만 에너지 효율이 제한적입니다. 최근 홍콩시립대학교(CityU)의 화학자들이 공동으로 이끄는 연구팀은 비전통상 나노물질을 촉매로 도입하여 배터리 에너지 효율을 최대 83.8% 향상시켜 이 문제를 극복하는 혁신적인 방법을 발견했습니다. 이 연구는 탄소 중립 목표에 기여할 수 있는 차세대 메타 가스 배터리를 위한 새로운 촉매 설계를 보여줍니다.

금속-이산화탄소 배터리는 전자 제품에 내구성 있는 전기(고에너지 밀도)를 제공할 수 있으며 , 외부 회로에서 추가 에너지 소비 없이 이산화탄소(CO 2 ) 고정을 가능하게 하여 CO 2 온실 가스 배출을 부가가치 제품으로 변환할 수 있습니다. 특히 리튬-이산화탄소 전지는 높은 이론 에너지 밀도(1876Wh·kg -1 )를 가지고 있어 차세대 고성능 에너지 변환 및 저장 기술의 유망한 후보이다.

그러나 금속-CO 2 배터리는 여전히 느린 반응 역학으로 어려움을 겪고 있습니다. 이것은 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 야기합니다.

기존 촉매 개질 전략의 기술적 장애물

CityU의 화학과 조교수인 Fan Zhanxi 박사는 "연구원들은 일반적으로 복합 음극 촉매에서 금속 기반 구성 요소의 형태, 크기, 구성 요소 및 분포를 배터리 성능의 차이로 이끄는 주요 관심사로 간주합니다."라고 말했습니다. 연구의 리더 중 한 명. "그러나 우리는 특히 촉매에 대한 전통적인 수정 전략이 장기적인 기술적 장애물에 직면했기 때문에 비전통적인 단계를 가진 새로운 촉매를 준비하는 것이 금속 가스 배터리의 에너지 효율성과 성능을 향상시키는 실행 가능하고 유망한 전략이라는 것을 발견했습니다."

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

팀은 금(Au) 주형에서 Ir의 성장 동역학을 제어하여 비전통적인 4H/면심 입방체(fcc) 이종상으로 이리듐 나노구조를 합성했습니다. 그들의 실험에서, 4H / fcc 헤테로상을 가진 촉매 는 다른 금속 기반 촉매(일반적으로 3.8V 이상 및 에너지 효율 최대 75%).

비전통상 금속 나노물질의 뛰어난 성능

연구팀이 수행한 실험과 이론적 계산의 조합은 위상 공학을 통해 생성된 4H/fcc Ir 나노구조가 비정질/저결정 방전 생성물의 가역적 형성에 더 유리하여 과전위를 낮추고 전기화학적 산화환원의 사이클링 안정성을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 반응. 특이한 상 4H/fcc Ir 나노구조는 일반적인 fcc Ir보다 훨씬 더 나은 성능을 보였고, 비양자성 Li-CO 2 배터리 에 사용되는 다른 보고된 금속 기반 촉매와 비교하여 뛰어난 전하 포텐셜 및 에너지 효율을 달성했습니다 .

"이 연구는 금속 가스 전기화학에서 촉매의 상 공학의 큰 잠재력을 보여줍니다. 이것은 지속 가능한 전기화학 에너지 변환 및 저장 시스템을 개발하기 위한 촉매 설계의 새로운 방향을 열어줍니다"라고 Fan 박사는 결론지었습니다.


출처 : https://www.sciencedaily.com/