NaCl-Assisted Synthesis of Co/CoS2 Heterostructures Encapsulated within N, S Co-doped Carbon Nanotubes as Electrocatalysts for Anion Exchange Membrane Fuel Cells and Rechargeable Liquid-State/flexible Zn-air Batteries
本研究は、商業用ベンチマークであるPt/CおよびRuO2を凌駕する高性能なアニオン交換膜燃料電池および充電可能な液状・フレキシブル型亜鉛空気電池を可能にする、N,S共ドープカーボンナノチューブ内にカプセル化されたCo/CoS2ヘテロ構造のNaCl支援合成について報告するものであり、これらは極めて高効率かつ安定した二機能性電気化学触媒として機能する。
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世界は、現在の機械を動かしている有限の資源から、よりクリーンで持続可能なシステムへと移行するために、エネルギーを貯蔵し放出するより優れた方法を模索しています。最も有望な候補の一つは、空気から直接酸素を取り出して電気を発生させる充電式電池であり、このプロセスは同時に起こる2つの重要な化学反応に依存しています。一方の反応は、エネルギーを放出するために酸素分子を分解し、もう一方の反応は、エネルギーを蓄えるためにそれらを再結合させます。これらの電池がうまく機能するためには、両方の反応を効率的に促進できる材料が必要です。数十年にわたり、科学者たちはこの役割を果たすために白金のような希少で高価な金属に頼ってきましたが、その高コストと希少性のために、広範な普及には不向きです。したがって、課題は、安価で耐久性があり、時間の経過とともに強度を失うことなく化学式の両面を処理できる材料を見つけることです。
韓国の仁荷大学の研究チームは、単純な材料を巧妙に組み合わせることで、これらの障壁に対処する新しい材料を開発しました。彼らは、コバルトと硫化コバルトを含む微粒子で構成され、それらがカーボンナノチューブの保護シェルに包まれた触媒を作成しました。これらのナノチューブは単なる管ではありません。これらには窒素と硫黄原子が注入されており、それが材料の電子特性を調整して反応性を高めています。成功の鍵は、一般的な食塩を一時的な型として使用する特定の製造技術でした。研究者たちは、原料を塩と一緒に混ぜて加熱することで、活性粒子が互いに凝集するのを防ぐ、高度に多孔質なスポンジのような構造を作り出すことができました。この塩を用いた手法により、最終製品は広大な内部表面積を持つことが保証され、液体やガスが容易に流れ込むことが可能になります。これは、電池が迅速かつ効率的に機能するために不可欠です。
コバルトと硫化コバルトが窒素および硫黄ドープされたカーボンナノチューブの中に埋め込まれた複雑な構造を持つこの結果得られた材料は、極めて効果的であることが証明されました。実験室でのテストにおいて、この材料は、高価な白金やルテニウムのベンチマークに匹敵するか、あるいはそれを上回る効率で、酸素放出反応と酸素吸収反応の両方を駆動する能力を示しました。具体的には、この新しい触媒は酸素放出反応を開始するために非常に少ない追加エネルギーを必要とし、酸素を還元する強い能力を示しました。この性能は、電池の長寿命化において極めて重要です。研究者たちは、金属粒子、保護用カーボンチューブ、そしてドープされた原子のユニークな組み合わせが相乗効果を生み出していることを見出しました。カーボンチューブは電気が速く流れるための高速道路として機能し、金属と硫化物の特定の配置は、化学反応を導くための内部電界を作り出し、化学反応をガイドするのに役立ちました。この設計により、材料は非常に安定し、100時間以上の連続運転においても電池内の過酷な化学環境に耐え、従来の金属触媒がはるかに早く劣化し始めたのに対し、はるかに長く機能し続けました。
この材料が実世界のデバイスで機能することを証明するために、チームは2種類の異なるタイプの電池を構築しました。第一に、イオンを伝導するために液体電解質を使用する標準的な液体ベースの亜鉛空気電池を構築しました。この構成では、新しい触媒によって、電池は163.57ミリワット毎平方センチメートルというピーク電力を供給でき、これは標準的な白金とルテニウムの混合物を使用する電池の性能を上回る数値でした。この電池は、大きな電力損失なしに100時間以上の充放電サイクルを維持するという、素晴らしい耐久性も示しました。第二に、研究者たちは、ウェアラブル電子機器向けに設計された、柔軟な準固体電池を用いて材料をテストしました。このデバイスは、曲げたり形を変えたりできるように、液体の代わりにゲル状の電解質を使用しています。これらの柔軟な条件下であっても、触媒は極めて優れた性能を発揮し、95.19ミリワット毎平方センチメートルのピーク電力を提供し、25時間以上の連続サイクリングにおいて安定した性能を維持しました。電池は鋭い角度で曲げられた状態でも機能し続け、スマート衣料や折りたたみ式電子機器のような曲げられるデバイスに使用できるほど、材料が堅牢であることを示しました。
このプロジェクトの成功は、微視的なレベルでの材料構造の精密なエンジニアリングにあります。研究者たちは、亜鉛の蒸発と塩テンプレートの除去を含む手法を用いて、微細な孔のネットワークを作成し、電解質が触媒内のあらゆる活性部位に到達できるようにしました。この多孔質なアーキテクチャは、導電性カーボンナノチューブのネットワークと組み合わさることで、活性粒子が時間の経過とともに凝集したり溶解したりするという一般的な問題を解決しました。この研究は、これらの構成要素を注意深く配置することで、貴金属に依存しない高性能な触媒を作ることが可能であることを裏付けています。これらの知見は、電気自動車からウェアラブル技術に至るまで、あらゆるものに電力を供給できる、手頃な価格で耐久性があり効率的なエネルギー貯蔵システムを開発するための明確な道筋を示しており、エネルギー貯蔵が持続可能でアクセシブルな未来へと私たちを近づけています。
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