2차 트리용 산소환원촉매 선정

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6696(2022) 이 기사 인용

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고효율, 저비용, 내구성을 갖춘 산소 환원 반응(ORR) 전기촉매는 2차 Zn-공기 전지 응용 분야에 중요합니다. 단일 및 혼합 금속 산화물 및 탄소 전기촉매의 ORR 활동은 회전 디스크 전극(RDE) 측정, Tafel 기울기 및 Koutecky-Levich 플롯을 사용하여 연구되었습니다. XC-72R과 결합된 MnOx는 높은 ORR 활성과 우수한 안정성(최대 100mA cm−2)을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 선택한 ORR 전극과 이전에 최적화된 산소 발생 반응(OER) 전극의 성능은 이후 3전극 구성의 맞춤형 2차 Zn-공기 전지에서 테스트되었으며 전류 밀도, 전해질 몰농도, 온도, ORR 및 OER 전극의 성능에 대한 산소순도 및 산소순도를 조사하였다. 마지막으로, 2차 Zn-공기 시스템의 내구성이 평가되었으며, 333K에서 4M NaOH + 0.3M ZnO에서 40시간 동안 20mA cm-2에서 58-61%의 에너지 효율을 보여주었습니다.

산소 전극을 갖춘 금속-공기 배터리는 산소 전극의 전기 활성 물질을 주변 대기에서 쉽게 얻을 수 있고 저장이 필요하지 않기 때문에 매우 매력적인 시스템으로 간주됩니다1. 이는 산소 전극이 무한한 용량을 갖게 하여 시스템의 에너지 밀도를 증가시키는 동시에 시스템 설계를 단순화합니다2. 따라서 Li, Al, Fe, Zn 및 Mg와 같은 양극 재료를 사용하는 금속 공기 배터리는 우수한 비용량의 결과로 등장했습니다3. 그중 Zn-공기 배터리는 수성 전해질에서의 우수한 안정성, 높은 비에너지, 낮은 평형 전위, 전기화학적 가역성, 좋은 전도성, 풍부함 및 취급 용이성4,5. 현재 1차 Zn-공기 배터리는 보청기, 철도 신호 및 내비게이션 등4과 같은 상업용 응용 분야에서 발견되는 반면, 2차 Zn-공기 배터리는 리튬 기반 배터리와 동등한 높은 비에너지 밀도에 대한 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 휴대용 전자 장치, 전기 자동차, 그리드 규모 에너지 저장 및 재생 가능 에너지 생성 지원에 적용하기 위해 Zn-공기 배터리에 대한 지속적인 조사를 가치 있게 만듭니다6,7.

핵심 과제 중 하나는 Zn-공기 2차 전지의 상용화를 촉진하기 위해 공기 전극에서 산소 반응(즉, 산소 환원 반응(ORR) 및 산소 발생 반응(OER))의 효율성을 높이는 것입니다. 이를 위해 효과적인 전기촉매를 사용하여 반응 속도를 높이고 효율성을 높일 수 있습니다. 현재 이중 기능성 촉매를 사용한 산소 전극은 문헌8,9,10에 잘 보고되어 있습니다. 이중 기능성 촉매는 전극 구성을 단순화하고 물질 전달 손실을 줄여 잠재적으로 생산 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있지만 실제로 ORR에 최적인 촉매는 일반적으로 OER에 최적이 아니며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 작동 전위의 이러한 차이로 인해 촉매가 더 넓은 전위 범위에 노출되어 시간이 지남에 따라 표면 구조가 변경될 수 있습니다. 또한, 중간 결합 에너지의 상호의존성은 촉매의 활성 부위가 각 반응마다 다를 가능성이 높기 때문에 최적화가 복잡해질 수 있음을 의미합니다.

2차 Zn-공기 배터리의 또 다른 주요 과제는 산소 전극의 구성입니다. 이는 주로 ORR 및 OER용 단일 기능 촉매가 서로 다른 반응 환경에서 작동하기 때문입니다. ORR 가스 확산층은 기체 산소가 촉매 부위에 접근할 수 있도록 소수성이어야 하며, OER의 경우 전극 표면은 산소 기포 제거를 용이하게 하기 위해 친수성이어야 합니다. 그림 1은 Jörissen의 검토12에서 파생된 세 가지 일반적으로 제안된 2차 산소 전극 설계, 즉 (i) 이중 기능 단일층 촉매, (ii) 이중 또는 다층 촉매 및 (iii) 삼중 전극 구성을 보여줍니다.