울산과학기술원(한국)의 조재필 교수가 이끄는 연구팀이 개발한 탄화 멜라민 폼은 연료 전지와 배터리에서 산소를 환원시키는 새로운 고효율 전기 촉매로, 비용을 절감하면서도 고효율의 금속-공기 배터리와 연료 전지를 제공할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
한국과 미국 과학자들로 구성된 연구팀이 저렴한 멜라민 폼 과 카본 블랙 을 기반으로 한 새로운 전극 소재를 개발했습니다 . 이 소재는 높은 다공성 덕분에 물질 이동이 매우 빠르며, 촉매 활성 중심이 많아 연료 전지 및 금속-공기 배터리 음극의 산소 환원 활성이 크게 향상됩니다.
연료 전지와 금속-공기 전지의 양극에서 일어나는 반응은 산소의 전기화학적 환원, 즉 산소 환원 반응(ORR)입니다. 이 반응은 속도가 느리기 때문에 상당히 억제되며, 전지의 효율은 예상보다 낮습니다.
촉매 음극은 산소가 물과 반응하여 전자를 흡수하여 알칼리 용액에서 OH- 이온을 형성하도록 해야 합니다. 문제는 고체, 액체, 기체 반응물이 포함된 복잡한 시스템에서, 특히 높은 전류 밀도로 방전할 때 운반 과정이 너무 느려져 공정을 저해하는 경우가 많다는 것입니다.
백금과 같은 촉매 활성 금속이 미세하게 분산된 다공성 탄소 지지체(카본 블랙)로 만들어진 양극은 이러한 동역학적 저해를 매우 효과적으로 최소화할 수 있습니다. 그러나 가격이 비싸고 안정성이 낮아 광범위한 적용에 적합하지 않습니다.
따라서 울산과학기술원(한국)의 조재필이 이끄는 팀과 조지아 공과대학(미국)의 류메일린이 이끄는 팀은 더욱 경제적인 대안을 개발하는 것을 목표로 했습니다.
그들은 방파제의 사지(四枝, 그리스어로 tetra는 넷, podes는 발) 구조에서 영감을 얻어 새로운 고효율 전기 촉매를 합성했습니다. 네 개의 "발"이 가상의 사면체의 모서리를 향하는 사지(四脚)는 해안뿐만 아니라 댐과 부두 근처에도 건설되어 해안에 부딪히는 파도의 힘을 줄입니다. 이러한 구조물은 또한 수많은 큰 구멍 속에서 해양 생물에게 안식처를 제공합니다. 멜라민 폼을 열분해하여 절구와 공이로 분쇄하면 사지(四脚)와 유사한 미세한 조각이 형성됩니다.
과학자들은 멜라민 폼을 염화철과 질소가 도핑된 케첸블랙(전도성 카본 블랙 펠릿)으로 처리했습니다. 이 제품을 탄화시키고 황산으로 추출했습니다. 그 결과, 카본 블랙 나노입자가 박힌 나노테트라포드는 매우 높은 비표면적과 다수의 촉매 활성 중심(Fe/Fe3C, C, C-N 그룹)과 빠른 물질 이동을 가능하게 하는 많은 기공을 가지고 있습니다. 이 새로운 전극 소재로 제작된 양극은 금속 기반 양극에 필적하는 내구성과 뛰어난 성능을 제공하며, 가격은 훨씬 저렴합니다. 이는 차세대 저렴하고 고효율의 금속-공기 전지 및 연료 전지 개발의 매우 유망한 출발점이 될 수 있습니다.
SINOYQX는 연료 전지 및 배터리의 산소 감소를 위해 멜라민 폼을 탄화하는 중국 내 일부 기관 및 대학을 지원하고 있습니다 .
일부 내용은 http://www.chemistryviews.org/details/ezine/4153391/Inspired_by_a_Breakwater.html 에서 인용되었습니다.