二次トライの酸素還元触媒の選択

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6696 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

酸素還元反応 (ORR) 電極触媒は、高効率、低コストでありながら耐久性があり、二次亜鉛空気電池用途にとって重要です。 単一および混合金属酸化物および炭素電極触媒の ORR 活性を、回転ディスク電極 (RDE) 測定、ターフェル勾配、およびコウテッキー・レヴィッチ プロットを使用して研究しました。 MnOx を XC-72R と組み合わせると、最大 100 mA cm-2 までの高い ORR 活性と良好な安定性が実証されたことがわかりました。 その後、選択した ORR 電極と事前に最適化した酸素発生反応 (OER) 電極の性能を、三電極構成の特注亜鉛空気二次電池でテストし、電流密度、電解質モル濃度、温度、 ORR および OER 電極の性能に及ぼす酸素純度を調査しました。 最後に、二次 Zn-空気システムの耐久性が評価され、333 K、4 M NaOH + 0.3 M ZnO 中で 40 時間にわたって 20 mA cm-2 で 58 ～ 61% のエネルギー効率が実証されました。

酸素電極を備えた金属空気電池は、酸素電極の電気活性物質が周囲大気から簡単に入手でき、保管の必要がないため、非常に魅力的なシステムと考えられています1。 これにより、システムの設計が簡素化されると同時に、酸素電極の容量が無限になり、システムのエネルギー密度が増加します2。 したがって、優れた比容量の結果として、Li、Al、Fe、Zn、Mg などの負極材料の使用を組み込んだ金属空気電池が登場しました。 中でも、Zn-空気電池は、コスト、安​​全性、環境への配慮という市場の要求を満たす能力が非常に優れています。Zn は、水性電解質中での良好な安定性、高い比エネルギー、低い平衡電位、電気化学的可逆性、負極材料として望ましい特性をいくつか備えているためです。良好な導電性、豊富さ、取り扱いの容易さ4,5。 現在、一次亜鉛空気電池は補聴器、鉄道信号機、航行灯などの商用用途に使用されています4が、二次亜鉛空気電池はリチウムベースの電池と同等の高い比エネルギー密度を実現する可能性を持っています。 このため、ポータブル電子機器、電気自動車、グリッド規模のエネルギー貯蔵、再生可能エネルギー生成のサポートなどの用途において、亜鉛空気電池の継続的な研究は価値のあるものとなっています6,7。

主要な課題の 1 つは、亜鉛空気二次電池の商品化を促進することを目的とする場合、空気極での酸素反応 (すなわち、酸素還元反応 (ORR) および酸素発生反応 (OER)) の効率を高めることです。 これに対して、効果的な電極触媒を使用して反応速度を高め、効率を高めることができます。 現在、二官能性触媒を備えた酸素電極は文献でよく報告されています8、9、10。 二官能性触媒は電極構造を簡素化し、物質移動損失を低減し、製造コストの削減につながる可能性がありますが、実際には、ORR に最適な触媒が OER に最適であるとは限らず、その逆も同様です 11。 この動作電位の違いにより、触媒がより広い電位範囲にさらされることになり、時間の経過とともにその表面構造が変化する可能性があります。 さらに、中間結合エネルギーの相互依存性は、触媒上の活性部位が反応ごとに異なる可能性が高く、最適化が複雑になることを意味します。

亜鉛空気二次電池のもう 1 つの大きな課題は、酸素電極の構築です。これは主に、ORR と OER の単官能触媒が異なる反応環境で動作するためです。 ORR ガス拡散層はガス状酸素が触媒部位にアクセスできるように疎水性である必要がありますが、OER の場合、電極表面は酸素気泡の除去を容易にするために親水性である必要があります。 図 1 は、Jörissen のレビュー 12 から導き出された 3 つの典型的な提案された二次酸素電極設計、すなわち (i) 二官能性単層触媒、(ii) 二重または多層触媒、および (iii) 三電極構成を示しています。