나노기술 및 정책 정보

• 목록

​

아연 공기 전지(Zinc air battery)는 청정에너지의 일종으로서 높은 에너지 밀도와 높은 안전성으로 인해 지속가능한 에너지 저장 분야에서 폭넓고 밝은 발전 전망을 보유하고 있음. 그러나 아연 공기 전지는 안정성 저하와 출력 밀도가 낮은 등 문제점을 보유하고 있으며 이런 문제점은 공기 음극 촉매 반응과 밀접한 관련이 있는 상황임.

전통적인 귀금속 촉매제는 우수한 전기 촉매 활성을 보유하고 있지만 원가가 높고 안정성이 떨어지는 단점은 전통적인 귀금속 촉매제의 규모화 응용을 제한하고 있음. 우수한 촉매 활성과 안정성을 보유하고 있는 비(非) 귀금속 촉매 개발은 중요한 도전에 직면하여 있음.

전이금속-다공성 탄소 나노섬유 소재 공극(pore)과 전자 구조는 풍부하고 원가가 저렴하고 구조 조정이 가능하고 촉매 활성 위치 점이 많은 특징을 보유하고 있기 때문에 귀금속 촉매를 대체하는 면에서 거대한 응용 전망을 보유하고 있음. 그러나 다공성 탄소 나노섬유 합성은 복잡하고 전이금속은 쉽게 뭉치기 때문에 촉매 활성을 한층 더 향상시키는 것은 어려운 상황임.

이런 상황을 해결하기 위해 중국 뚱화(東華) 대학교 방직(紡織) 과학기술 혁신 센터 위젠융(兪建勇, 유건용) 원사(院士), 띵빈(丁彬, 정빈) 연구원, 옌젠화(閆建華, 염건화) 연구원 연구팀은 일종 원 위치 정전기 방사(紡絲) 기술을 제시하고, 금속 코발트 나노 점(CoNPs) 원 위치를 큰 구멍의 탄소 나노섬유 속에 도핑하고, 높은 공극률(90%)을 보유하고 있는 자성 촉매를 개발함. 일종의 "자성 증강" 전략을 제시하고, 자성 촉매 특성을 이용하여 한 개 중등의 (350mT) 외부 추가 자기장에 대한 촉매 활성 증강을 실행하였음.

외부 추가 자기장 역할 하에서 자성 Co NPs를 우선 나노 자기체로 자화(磁化)시키고, 큰 구멍 주변에 각각 동성(同性)의 자기 범주를 형성시켜 전해질과 O2의 확산을 통해 산소 중간체의 흡착을 증가시켰음.

그 외, 탄소 나노섬유의 다공성 구조는 내부 공간에서 자기 소용돌이를 형성하여 부분적인 Co 전자로 하여금 낮은 스핀에서 높은 스핀으로 전환될 수 있도록 하며, 3d 궤도상에서 더욱 많은 홑 전자(unpaired electron)를 생성시킨 동시에 Co NPs 스핀 자기 모멘트의 증가를 통해 전자전이 활성화 에너지의 장벽을 낮추고, 산소 분해 환원 반응에서 더욱 효과적인 4개의 전자전이 과정을 제공함으로써 산소 촉매의 활성화를 향상시켰음.

외부 추가 자기장 역할 하에서 MCN의 ORR 반파 전위(Half wave potential)를 20mV 증가시키고, OER 반응은 10mA/cm2의 과전위도 15mV 감소되는 것으로 나타났으며, 더욱 중요한 점은 MCN 촉매제는 직접적으로 이중 기능 촉매제로 사용되어 아연-공기 전지에 응용되었음. 이는 상용화 Pt/C+IrO2 촉매제에 비해 용량을 2.5배 향상시키고, 충전과 방전 수명을 155시간 이상 수준에 도달시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 일종 간단하게 자성 전이금속-다공성 탄소 나노섬유 촉매 소재를 제조하는 방법을 개발하고, 일종 "자성 증강" 전략을 혁신적으로 제시하여 충전과 방전이 가능한 아연 공기 전지의 직접 자성 증강을 실현함으로써 외부 추가 자기장의 자성 극화(極化) 증강이 에너지 저장과 전환 분야에서 실현될 수 있도록 하는데 성공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Direct Magnetic Reinforcement of Electrocatalytic ORR/OER with Electromagnetic Induction of Magnetic Catalysts")에 게재됨.