エコを促進

2022 年 10 月 13 日

香港城市大学著

金属二酸化炭素電池は環境に優しい有望な技術ですが、エネルギー効率には限界があります。 最近、香港城市大学 (CityU) の化学者が共同率いる研究チームは、触媒として型破りな相ナノ材料を導入することで、電池のエネルギー効率を最大 83.8% 向上させることで、この問題を克服する革新的な方法を発見しました。 この研究は、カーボンニュートラルの目標に貢献できる、新世代のメタガス電池用の触媒の新規設計を明らかにしました。

金属二酸化炭素バッテリーは、エレクトロニクスに耐久性のある電力 (高エネルギー密度) を提供し、外部回路からの余分なエネルギーを消費することなく二酸化炭素 (CO2) を固定して、CO2 温室効果ガスの排出を付加価値のある製品に変換することができます。 特に、リチウム二酸化炭素電池は理論エネルギー密度（1876Wh kg-1）が高く、次世代の高性能エネルギー変換・貯蔵技術の有望な候補となっています。

しかし、金属 CO2 電池は依然として反応速度の遅さに悩まされています。 これにより、大きな過電圧（つまり、バッテリーを機能させる酸化還元反応を促進するために理論的に決定されているよりも多くの電圧またはエネルギーが必要）、低いエネルギー効率、低い可逆性、および限られたサイクル安定性が発生します。

「研究者らは一般に、複合カソード触媒の形態、サイズ、成分、および金属ベースの成分の分布が、電池性能の違いにつながる主な懸念事項であると考えています」と、シティ大学化学科助教授のファン・ザンシー博士は述べた。そして研究のリーダーの一人。 「しかし、特に従来の触媒の改質戦略は長期にわたる技術的ハードルに直面しているため、従来とは異なる相を含む新しい触媒を調製することが、金属ガス電池のエネルギー効率と性能を向上させる実現可能で有望な戦略であることがわかりました。」

ファン博士と彼のチームは、金属ベースのナノマテリアルの結晶相の正確な制御に関する広範な経験と知識を蓄積し、これにより、適切な元素を選択して非従来型の相を構築し、その後触媒の結晶相がナノマテリアルに及ぼす影響を研究することができました。ある種の非プロトン性（つまり、水素イオンを含まない）金属ガス電気化学の反応速度論。 「しかし、これは、このプロセスが有機環境におけるカソード触媒の二官能性に関する厳しい要件を必要とするため、実現が容易であることを意味するものではありません」とファン博士は説明した。

研究チームは、金(Au)テンプレート上でのIrの成長速度を制御することにより、型破りな4H/面心立方(fcc)異相を有するイリジウムナノ構造を合成した。 彼らの実験では、4H/fcc 異相を含む触媒は、非プロトン性 Li-CO2 電池のサイクル中に、他の金属ベースの触媒（一般に充電電位が 3.61 V 未満）よりも低い充電プラトー（3.61 V 未満）と最大 83.8% までの高いエネルギー効率を実証しました。 3.8 V、エネルギー効率は最大 75%)。

研究チームが実施した実験と理論計算を組み合わせた結果、相工学によって作製された4H/fcc Irナノ構造は、アモルファス/低結晶性放電生成物の可逆的形成により有利であり、それによって過電圧が低下し、電気化学的レドックスのサイクル安定性が促進されることが明らかになった。反応。 珍しい相 4H/fcc Ir ナノ構造は、一般的な fcc Ir よりもはるかに優れた性能を発揮し、非プロトン性 Li-CO2 電池で使用される他の報告されている金属ベースの触媒と比較して、優れた充電電位とエネルギー効率を達成しました。

「この研究は、金属ガス電気化学における触媒の相工学の大きな可能性を明らかにしました。これは、持続可能な電気化学エネルギー変換および貯蔵システムを開発するための触媒を設計するための新しい方向性を開きます。」とファン博士は結論付けました。

この研究結果は最近、米国科学アカデミー紀要に掲載されました。

詳しくは： Jingwen Zhou 他、非従来型相金属ナノ材料を使用した非プロトン性リチウム - 二酸化炭素電池の反応速度の向上、米国科学アカデミー紀要 (2022)。 DOI: 10.1073/pnas.2204666119

雑誌情報:米国科学アカデミーの議事録

香港城市大学提供