Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

世界は、空気を汚し地球を温暖化させる化石燃料から離れ、よりクリーンなエネルギー貯蔵方法を模索しています。探索されている多くの技術の中でも、充電可能な亜鉛空気電池は有望な選択肢として注目されています。これらの装置は、従来の電池と燃料電池の中間のような働きをします。片側に亜鉛金属板を用い、もう一方からは空気から酸素を取り込み、化学反応を通じて電気を生み出します。理論上の蓄電容量は非常に高く、燃えやすい化学物質の代わりに水ベースの液体を使用しているため、本質的に安全であり、安価で豊富な材料で構成されています。しかし、ある大きな障壁が、これらが主流の電源となることを阻んできました。それは、電池内部で起こる化学反応が遅すぎるという点です。具体的には、電気を作るために酸素を消費するプロセスと、充電のために酸素を放出する逆のプロセスが、需要に追いつくのに苦労しているのです。これを解決するために、科学者たちは化学反応を加速させることができる「触媒」と呼ばれる特殊な材料を必要としています。現在利用可能な最高の触媒は、希少で高価な白金（プラチナ）のような貴金属で作られていますが、これらは希少であり、広範囲での使用にはコストがかかりすぎます。

中国の大学の研究チームは、効果的かつ手頃な価格の触媒を作成することにより、この問題を解決する新しいアプローチを開発しました。希少な金属に頼る代わりに、彼らは一般的な遷移金属であるコバルトとニッケルを、キトサンと呼ばれる天然の生分解性材料から派生した形態の炭素と組み合わせました。キトサンは甲殻類の殻から得られるもので、しばしば廃棄される廃棄物です。研究者たちはこの廃棄物を加工して多孔質の炭素材料とし、その上にコバルトとニッケルのリン化物（ホスファイド）の微細な構造を成長させました。リン化物は、金属原子が電気伝導性の高い物質であるリンと結合した化合物です。これらの要素を混合することで、チームは電池に必要な酸素消費および酸素放出の両方の反応に対して強力な触媒として機能する複合材料を作り上げました。

研究者たちは、自分たちの新しい材料がどれほど高性能であるかを、高価なゴールドスタンダードの触媒と比較するために、実験室の設定でテストを行いました。その結果、新しい材料は驚くほど効率的であることが分かりました。酸素を消費する反応を開始する容易さを測定したところ、電圧は0.876ボルトであり、これは高価な白金ベースの触媒の性能に非常に近い数値でした。電池を充電するために酸素を放出する性能を測定した際には、わずか503ミリボルトの追加の押し上げが必要であり、これは彼らが比較対象としたベンチマーク材料よりも優れた結果でした。簡単に言えば、新しい触媒は、従来の高価な選択肢よりも少ないエネルギーの無駄で、必要な化学反応を駆動することができたのです。チームはまた、コバルトとニッケルの特定の組み合わせが極めて重要であることも発見しました。ニッケルの代わりにマンガンや鉄などの他の金属を用いた同様の材料をテストしたところ、性能はそれほど良くありませんでした。ニッケルの原子がコバルトの電子環境を変化させ、表面の活性サイトがその役割を果たす能力をより効果的にしたようです。

なぜこの組み合わせがこれほど上手くいったのかを理解するために、研究者たちは強力なコンピュータシミュレーションを用いて、微視的なレベルでの原子の挙動を調査しました。これらの計算により、ニッケルの存在が化学反応のエネルギー障壁を下げ、プロセスをより容易にしていることが示されました。また、シミュレーションは、窒素ドープされた炭素支持体が重要な役割を果たしていることも明らかにしました。この炭素材料は単なる受動的な保持体ではなく、反応のための独自の活性サイトを提供し、金属構造が時間の経過とともに崩壊しないように安定化させる役割も果たしていました。キトサンから作られた炭素の多孔質な性質は、ガスや液体が容易に流れることを可能にし、活性サイトが常にアクセス可能な状態であることを保証しました。この金属粒子と炭素支持体の間の相乗効果が、安定かつ高活性なシステムを生み出したのです。

この新しい触媒の最終テストは、実際に動作する亜鉛空気電池を組み立て、それがどの程度持続するかを確認することでした。研究者たちは、新しい材料を空気電極として、亜鉛板をもう一方の側として電池を組み立てました。彼らは一定の電流下で、充電と放電のサイクルを繰り返し行いました。新しい触材を使用した電池は、著しい劣化が見られるまで240時間稼働しました。対照的に、標準的な白金と別の高価な金属酸化物の混合物を用いて作られた制御用電池は、同じ条件下でわずか110時間しか持続しませんでした。この結果は、新しい安価な材料が、従来の材料よりも効率的に反応を駆動するだけでなく、長期的な耐久性においても優れていることを実証しました。電池は安定した電圧をより長く維持しており、これは触媒が従来の材料ほど急速に劣化していないことを示唆しています。

この研究の成功は、異なる構成要素の巧みな統合にあります。研究者たちは単に材料を混ぜ合わせたのではなく、バイオマス由来の炭素、コバルト、そしてニッケルが調和して働くシステムを設計しました。炭素は、金属サイトを電解液に露出させる導電性のある多孔質の枠組みを提供し、二金属リン化物は反応を加速させるために必要な特定の化学的特性を提供しました。出発点としてキトサンを使用することも環境問題に対処しており、廃棄物をハイテク部品へと変えました。新しい触媒は、白金ベースの電池の開回路電圧に完全には一致しませんでしたが、その優れたサイクル寿命と低コストは、将来のエネルギー貯蔵に向けた魅力的な代替案となります。この研究は、一般的な金属の電子構造を注意深く調整し、それらを持続可能な炭素材料で支えることにより、希少な資源に依存せずに高性能な電池を作ることが可能であることを示唆しています。このアプローチは、再生可能エネルギーを大規模に貯蔵するための亜鉛空気電池を、実行可能な選択肢にするための実用的な道筋を提供しています。