케이스웨스턴리저브 대학(Case Western Reserve University)과 노스텍사스 대학(University of North Texas)의 연구진은 백금/금속 산화물 기반의 촉매보다 더 우수한 새로운 탄소 폼(foam) 기반의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 재충전할 수 있는 아연-공기 배터리에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 새로운 탄소 나노구조는 저렴하고, 만들기 쉽고, 친환경적이고, 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)에 효율적으로 작용한다. 산소 환원 반응과 산소 발생 반응은 금속-공기 배터리의 주요 화학적 반응이다. 이것은 고가의 백금과 금속 기반의 다른 촉매들을 대체하는데 사용될 수 있다. 그래서 연료 전지, 금속-공기 배터리, 태양전지, 물 분리 시스템 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.

 

ORR과 OER은 금속-공기 배터리의 핵심이다. 여기서, 장치 속의 전류 수집기의 전자들은 전해질 또는 배터리 방전 동안에 금속 전극에서 용해된 금속과 결합되는 산소 분자들을 환원시킨다. 반대 프로세스는 충전 동안에 발생한다. 리튬과 아연은 일반적으로 이런 유형의 배터리를 대상으로 하지만, 아연-공기 배터리는 저렴하고 더 안전하다. 이러한 배터리들은 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도보다 3배 더 높을 수 있지만 산소를 환원할 때 느리게 되는 문제가 발생한다.

 

ORR과 OER의 효율을 증가시키기 위해서, 이번 연구진은 산소 공급원으로서 공기에 의존하는 더 나은 촉매 재료를 개발하기 위해서 노력하고 있다. 지금까지 백금, 루테늄, 이리듐, 그들의 산화물과 같은 귀금속들은 이러한 촉매로 주로 이용되었지만, 그들은 고가이고 이것은 아연-공기 배터리의 상용화를 위한 주요 문제 중 하나이다.

 

질소 또는 인으로 도핑된 탄소 나노튜브와 그래핀과 같은 탄소 나노물질들은 이러한 문제를 해결할 것으로 각광을 받고 있다. 실제로, 이번 연구진은 ORR과 OER을 위한 효율적인 금속-프리(free) 전기 촉매로 사용될 수 있는 3차원 질소 및 인 도핑된 다공성 나노탄소 폼을 만들 수 있는 새로운 방법을 제안했다.

 

이번 연구진은 딱딱한 템플릿-프리 겔화 프로세스에 의해서 폴리아닐린 하이드로겔을 제조하도록 피트산(phytic acid)의 존재 하에서 아닐린 단량체를 중합하기 시작했다. “우리는 에어로젤 속에 3차원 하이드로겔을 동결 건조시키고, 그 후에 질소(폴리아닐린)와 인(피트산)으로 공-도핑된 3차원 메조다공성 흑연 탄소 폼을 탄화시켰다(산소 존재 하에서 1000 ℃의 온도)”고 Dai가 설명했다. 질소와 인의 공-도핑은 ORR과 OER의 전기 촉매적인 활성을 매우 향상시키지만, 3차원 다공성 흑연 구조(2-50 nm의 지름을 가진 기공으로 만들어짐)는 전극을 통한 우수한 전자 전달, 배터리 속의 큰 표면적 및 전해질을 위한 큰 공간을 제공한다.

 

결과적으로, 재충전할 수 있는 아연-공기 배터리를 위한 금속-프리 전극으로서 질소 및 인 도핑된 탄소 폼이 더 고가인 금속 기반의 촉매보다 더 나은 성능을 가질 수 있었다. 이 폼은 연료 전지, 태양 전지, 금속-공기 배터리, 물 분리 시스템(태양광을 사용해서 물을 산소와 수소로 분리) 등의 다양한 분야에 고가의 백금 또는 다른 금속 기반의 ORR과 OER 촉매를 대체할 수 있을 것이다.

 

이 연구에는 참여하지 않은 조지아 공대(Georgia Tech)의 Younan Xia는 새로운 연구가 흥미롭다고 믿고 있다. “이것은 탄소 기반의 전기 촉매들이 큰 성능을 달성하기 위해서 어떻게 합리적으로 디자인되고 제조될 수 있는지를 보여주고 있고, 고가의 희귀한 귀금속을 사용하는 일 없이 에너지 전환 장치들의 비용을 감소하는데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 그는 말했다.

 

이번 연구진은 에너지 및 환경 분야에 사용될 수 있는 서로 다른 헤테로원자들을 가진 공-도핑된 다양한 3차원 흑연 탄소 물질을 제조할 수 있는 프로세스를 최적화시키는데 최선을 다하고 있다. 이 연구는 저널 Nature Nanotechnology에 “A metal-free bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and oxygen evolution reactions”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.48).

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 20일] 

 

A new carbon-foam-based catalyst for rechargeable zinc-air batteries that performs as well or better than most previously reported catalysts, including platinum/metal oxide-based ones. This is what researchers at Case Western Reserve University and the University of North Texas say they have made. The new carbon nanostructure, which is cheap, easy to make and environmentally friendly, works efficiently for the both oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) – two key chemical reactions in metal-air batteries. It might be used to replace expensive platinum and other metal-based ORR and OER catalysts in a wide range of applications, including fuel cells, metal-air batteries, solar cells and even water-splitting systems.

 

The ORR and OER are at the heart of metal-air batteries, explains team leader Liming Dai of Case Western. Here, electrons from the current collector in the device reduce oxygen molecules that then combine with metal dissolved in the electrolyte or from the metal electrode during battery discharge. The reverse process occurs during charging. While lithium and zinc are the main metals commonly targeted for this type of battery, zinc-air batteries are less expensive and are safer. The problem is that although these batteries can have three times the energy density of lithium-ion batteries, they can be slow when it comes to reducing oxygen.

 

To increase both ORR and OER efficiencies, researchers are busy developing better catalyst materials that rely on air as the source of oxygen. Until now, precious metals, like platinum, ruthenium and iridium, and their oxides, have mainly been employed in such catalysts, but they are expensive and this is one of the main problems holding back the commercialisation of zinc-air batteries.

 

Carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes and graphene, doped with nitrogen or phosphorus could come into their own here, says Dai. Indeed, his team is now reporting on a new way to make 3D nitrogen and phosphorus-doped porous nanocarbon foams that appear to be efficient metal-free bifunctional electrocatalysts for both the ORR and OER.

 

Dai’s team began by polymerizing aniline monomers in the presence of phytic acid to produce a polyaniline hydrogel via a “hard” template-free gelation process (first reported on by Stanford University scientists in 2012). “We then freeze-dried the 3D hydrogel into an aerogel, and then carbonized it (at a temperature of 1000 °C in the absence of oxygen) into a 3D mesoporous graphitic carbon foam co-doped with nitrogen (from the polyaniline) and phosphorus (from the phytic acid),” explains Dai. “The co-doping with nitrogen and phosphorus significantly enhances electrocatalytic activities for both the ORR and OER while the 3D porous graphitic structure (made up of pores ranging from 2 to 50 nm in diameter) provides enormous surface area and room for the electrolyte in the battery to diffuse, as well as electron transport through the electrode.”

 

As a result, our nitrogen and phosphorus-doped carbon foam as metal-free electrodes for rechargeable zinc-air batteries perform as well or even better than the more expensive, state-of-the art metal-based catalysts, he tells nanotechweb.org. The foam could replace expensive platinum or other metal-based ORR and OER catalysts in a wide range of applications, including fuels cells, solar cells, metal-air batteries of course, and even water-splitting systems (in which water is decomposed into oxygen and hydrogen using sunlight – a clean and renewable way to produce energy).

 

Younan Xia of Georgia Tech , who was not involved in this work, believes that the new research is "interesting". "It shows how carbon-based electrocatalysts can be rationally designed and fabricated to achieve great performance and help reduce the cost of energy conversion devices without using the expensive, low-abundance noble metals," he comments.

 

Dai and colleagues says that they are now busy further optimising their process for producing various 3D graphitic carbon materials co-doped with different heteroatoms for use in energy and environmental applications.

 

[원문출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60815 ]