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

세계는 공기를 오염시키고 지구를 따뜻하게 만드는 화석 연료에서 벗어나, 더 깨끗한 에너지 저장 방식을 찾기 위해 노력하고 있습니다. 탐구되고 있는 많은 기술 중에서도, 재충전 가능한 아연-공기 배터리는 유망한 옵션으로 주목받고 있습니다. 이 장치들은 전통적인 배터리와 연료 전지의 중간 형태처럼 작동합니다. 이들은 한쪽에는 아연 금속판을 사용하고 다른 한쪽으로는 공기 중의 산소를 끌어와, 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 이들이 저장할 수 있는 에너지는 이론적으로 매우 높으며, 가연성 화학 물질 대신 수성 액체를 사용하기 때문에 본질적으로 안전하고 저렴하고 풍부한 재료로 만들어집니다. 그러나 이들을 주류 전력원으로 만드는 데 걸림돌이 된 주요 문제는 배터리 내부에서 일어나는 화학 반응이 너무 느리다는 점입니다. 구체적으로, 전기를 만들기 위해 산소를 소비하는 과정과 배터리를 충전하기 위해 산소를 방출하는 역과정이 수요를 따라가는 데 어려움을 겪습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 이러한 반응을 가속화할 수 있는 특수 재료인 촉매가 필요합니다. 현재 사용 가능한 최고의 촉매들은 백금과 같이 희귀하고 비싼 금속으로 만들어지는데, 이는 흔하지 않고 광범ally 사용하기에는 비용이 너무 많이 듭니다.

중국의 대학 연구진은 효과적이면서도 저렴한 촉매를 만들어 이 문제를 해결하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 희귀 금속에 의존하는 대신, 그들은 흔한 전이 금속인 코발트와 니켈을 갑각류의 폐기물로 흔히 버려지는 천연 생분해성 물질인 키토산에서 유래한 탄소와 결합했습니다. 연구진은 이 폐기물을 가공하여 다공성 탄소 재료로 만든 다음, 그 위에 코발트와 니켈 인화물의 미세 구조를 성장시켰습니다. 인화물은 금속 원자가 전도성이 좋은 물질인 인과 결합된 화합물입니다. 이 요소들을 함께 혼합함으로써, 연구팀은 배터리에 필요한 산소 소비 및 산소 방출 반응 모두에 강력한 촉매 역할을 하는 복합 재료를 만들었습니다.

연구진은 자신들의 새로운 재료가 값비싼 표준 촉매와 비교하여 얼마나 잘 작동하는지 확인하기 위해 실험실 환경에서 테스트를 진행했습니다. 그들은 새 재료가 놀라울 정도로 효율적이라는 것을 발견했습니다. 산소를 소비하는 반응을 시작하는 데 얼마나 쉽게 전압을 가할 수 있는지 측정했을 때, 0.876 볼트의 전압이 필요했는데, 이는 값비싼 백금 기반 촉매의 성능에 매우 근접한 수치입니다. 배터리를 충전하기 위해 산소를 방출하는 능력을 측정했을 때는 503 밀리볼트의 추가적인 힘만 필요했는데, 이는 그들이 비교 대상으로 삼은 벤치마크 재료들보다 더 나은 수치였습니다. 간단히 말해, 이 새로운 촉매는 전통적인 비싼 옵션들보다 에너지 낭비가 적으면서도 필요한 화학 반응을 구동할 수 있었습니다. 연구진은 또한 코발트와 니켈의 특정 조합이 결정적이라는 사실을 발견했습니다. 니켈 대신 망간이나 철 같은 다른 금을 사용한 유사한 재료들을 테스트했을 때, 성능이 그만큼 좋지 않았습니다. 니켈 원자가 코발트의 전자 환경을 변화시켜 표면의 활성 부위가 자신의 역할을 더 효과적으로 수행할 수 있게 만든 것으로 보입니다.

이 조합이 왜 그렇게 잘 작동했는지 이해하기 위해, 연구진은 원자 수준에서 미시적으로 원자의 거동을 관찰하고자 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다. 이러한 계산은 니켈의 존재가 화학 반응의 에너지 장벽을 낮추어 과정이 더 쉽게 일어나도록 한다는 것을 보여주었습니다. 시뮬레이션은 또한 질소가 도핑된 탄소 지지체가 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔습니다. 탄소 재료는 단순히 금속 입자를 담아두는 수동적인 홀더가 아니었습니다. 그것은 자체적인 반응 활성 부위를 제공했을 뿐만 아니라, 금속 구조가 시간이 지나면서 붕괴되지 않도록 안정화하는 데 도움을 주었습니다. 키토산으로부터 만들어진 탄소의 다공성 구조는 가스와 액체가 쉽게 흐를 수 있도록 하여, 활성 부위가 항상 접근 가능한 상태가 되도록 했습니다. 이 탄소 지지체와 금속 입자 사이의 시너지는 안정적이고 활발한 시스템을 만들어냈습니다.

이 새로운 촉매의 최종 시험은 실제 작동하는 아연-공기 배터리를 만들어 얼마나 오래 지속되는지 보는 것이었습니다. 연구진은 이 새로운 재료를 공기 전극으로 사용하고 반대편에는 아연판을 사용하여 배터리를 조립했습니다. 연구진은 일정한 전류로 반복적인 충전 및 방전 과정을 배터리에 실행했습니다. 새 촉매를 사용한 배터리는 상당한 마모 징후를 보이기 전까지 240시간 동안 작동했습니다. 대조적으로, 백금과 또 다른 값비싼 금속 산화물의 표준 혼합물을 사용하여 만든 제어 배터리는 동일한 조건에서 110시간 동안만 지속되었습니다. 이 결과는 새로운 저렴한 재료가 반응을 구동하는 데 더 효율적일 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 더 내구성이 높다는 것을 입증했습니다. 배터리는 훨씬 더 오랫동안 일정한 전압을 유지했는데, 이는 촉매가 전통적인 재료들보다 덜 빠르게 퇴화한다는 것을 시사합니다.

이 연구의 성공은 서로 다른 구성 요소들의 영리한 통합에 달려 있습니다. 연구진은 단순히 재료를 섞은 것이 아니라, 바이오매스 유래 탄소, 코발트, 그리고 니켈이 조화롭게 작동하도록 시스템을 설계했습니다. 탄소는 전해질에 금속 부위를 노출시키는 전도성 있고 다공성인 프레임워크를 제공했고, 이종 금속 인화물은 반응을 가속화하는 데 필요한 특정 화학적 특성을 제공했습니다. 키토산을 출발점으로 사용한 것 또한 환경적 문제를 해결했습니다. 즉, 폐기물을 첨단 구성 요소로 바꾼 것입니다. 비록 새로운 촉매가 백금 기반 배터리의 개방 회로 전압과 정확히 일치하지는 않았지만, 우수한 사이클 수명과 낮은 비용은 이를 매력적인 대안으로 만듭니다. 이 연구는 흔한 금속의 전자 구조를 정밀하게 조정하고 지속 가능한 탄소 재료로 이를 뒷받려 함으로써, 희귀 자원에 의존하지 않고도 고성능 배터리를 만들 수 있음을 시사합니다. 이 접근 방식은 재생 가능한 에너지를 대규모로 저장하기 위한 아연-공기 배터리를 실용적인 옵션으로 만드는 현실적인 경로를 제시합니다.