フラーレンと金属ポルフィリンの超分子の組み合わせが亜鉛空気電池の機能を向上させる

2024 年 2 月 27 日

(Nanowerkニュース) 空気亜鉛電池は、安価で強力な電池の代替品で、小規模では電子機器に電力を供給したり、大規模では電気自動車やエネルギー貯蔵に使用できます。これらの電池は空気中の酸素が亜鉛を酸化することで機能しますが、電池の性能を低下させる酸素の活性化が難しいため、広く商業的に採用されることができませんでした。に掲載された論文に記載されている情報 カーボンフューチャー (「亜鉛空気電池用の効率的なORR電極触媒前駆体としてのフラーレン-メタロポルフィリン共結晶」) は、フラーレン由来の炭素材料を触媒として添加することで、亜鉛空気電池の性能、安定性、コストがどのように改善されるかを示しています。亜鉛空気電池用のフラーレン-金属ポルフィリン共結晶この図は、酸素還元反応触媒としてフラーレン - 金属ポルフィリン共結晶を使用した亜鉛空気電池缶を示しています。（画像：Carbon Future、清華大学出版局）「亜鉛空気電池では、酸素の活性化、酸素と酸素の結合の切断、および酸素還元による酸化物の除去が困難であるため、速度特性が鈍くなり、商業分野での応用が制限されています。」中国・武漢の華中科技大学材料科学工学院教授、ファンファン・リー氏はこう語る。「炭素ベースの非金属触媒は、表面積が大きく、電気伝導率が高く、機械的特性が優れており、電気化学的環境における安定性が優れているため、酸素還元反応に有望な材料とみなされています。」フラーレンサッカーボールの形をした閉じたケージ構造を持つ炭素の同素体です。純粋なフラーレンは導電性が不十分で電子の移動が制限されますが、フラーレンから誘導された結晶は比表面積、導電性、活性点が改善されています。フラーレンの結晶は、液液界面析出と呼ばれるプロセスを経て生成されます。このプロセス中、フラーレンは 700 つの異なる溶媒に溶解し、800 つの液体の界面に結晶が形成されます。次に研究者らは、フラーレン結晶と独特の構造を持つ分子である金属ポルフィリンを組み合わせた超分子を作成した。彼らは、この超分子の 900 つのバージョンを作成し、最高のパフォーマンスが得られるように最適化しようとしました。 800 つを異なる温度 (800 ℃、XNUMX ℃、XNUMX ℃) に加熱し、その後最終サンプルも XNUMX ℃ に加熱しましたが、液液界面沈殿法を使用しない他のサンプルとは異なる方法で混合されました。フラーレン-金属ポルフィリン超分子の性能をテストする前に、研究者らは走査型電子顕微鏡、X線回折、ラマン分光法、および追加の測定を通じてサンプルの構造的特徴を研究しました。彼らは、液液界面析出法により欠陥が増加し、酸素還元反応の性能が向上することを発見しました。彼らはまた、XNUMX℃に加熱された超分子が、実験の過程でテストされた他の超分子よりも優れた性能を発揮することを一貫して発見し、この超分子を実用化してテストする作業を進めました。フラーレン - 金属ポルフィリン超分子の性能をテストするために、研究者らはフラーレン - 金属ポルフィリンを陰極として使用する自家製の亜鉛空気電池を構築しました。「この結果は、フラーレン-金属ポルフィリンが示す並外れた長期安定性を強調しています。フラーレン金属ポルフィリンの最適化された亜鉛空気電池の性能は、超分子の堅牢で永続的な電極触媒性能を強調します。この高い出力密度と拡張された安定性の組み合わせにより、フラーレン-メタロポルフィリン由来の炭素材料は、亜鉛-空気電池の実用化において非常に有望な触媒として位置づけられます」とリー氏は述べた。