清華大学が次世代エネルギー貯蔵・変換技術を開発(Tsinghua develops next generation energy storage and conversion technologies)

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2025-02-19 清華大学

清華大学の研究チームは、次世代のエネルギー貯蔵・変換技術として注目される水性再充電式亜鉛空気電池(a-r-ZABs)の性能と寿命を大幅に向上させるため、原子レベルでの両面調整戦略を開発しました。この新しい触媒であるガリウム(Ga)で調整されたマンガン-ルテニウム酸化物(Ga/MnRuO₂)は、a-r-ZABsの酸素還元反応(ORR)と酸素発生反応(OER)の安定性と活性のトレードオフを解決し、より信頼性の高い高性能エネルギー貯蔵システムへの道を開きます。この技術は、電力網や電気自動車などの大規模エネルギー貯蔵、さらには極限環境下での応用が期待されています。研究チームは、グルコース-尿素発泡法を用いてGaとMnがドープされたRuO₂の単相構造を持つ多孔質シート状フォームを作製しました。この触媒は、室温で10 mA/cm²の条件下で800時間以上の連続サイクル後も初期容量の86.7%を維持し、低温環境下では2308時間以上の性能維持を示しました。この成果は、持続可能なエネルギー貯蔵ソリューションへの新たな可能性を示しています。

<関連情報>

高性能空気亜鉛電池のためのガリウム二元配列による酸素電極触媒の安定性と活性のトレードオフの解消 Breaking the Stability-Activity Trade-off of Oxygen Electrocatalyst by Gallium Bilateral-Regulation for High-Performance Zinc-Air Batteries

Dr. Yunrui Li, Jiaqi Xu, Fan Lan, Prof. Yao Wang, Hairong Jiang, Dr. Xueke Wu, Ya Huang, Run Li, Dr. Qinyuan Jiang, Dr. Di Gao, Dr. Ping Zhu, Siming Zhao, Yanlong Zhao, Fei Wang …
Angewandte Chemie International Edition  Published: 23 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202420481

Graphical Abstract

An atomic-level bilateral regulation strategy was developed to optimize the electronic environment of Mn−O and Ru−O in Ga/MnRuO2 by doping Ga to overcome the activity-stability restriction of bifunctional electrocatalysts and thus achieving the high bifunctional performance for ORR/OER and zinc-air battery.

清華大学が次世代エネルギー貯蔵・変換技術を開発(Tsinghua develops next generation energy storage and conversion technologies)

Abstract

The rational design of metal oxide catalysts with enhanced oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) performance is crucial for the practical application of aqueous rechargeable zinc-air batteries (a-r-ZABs). Precisely regulating the electronic environment of metal-oxygen (M−O) active species is critical yet challenging for improving their activity and stability toward OER and ORR. Herein, we propose an atomic-level bilateral regulation strategy by introducing atomically dispersed Ga for continuously tuning the electronic environment of Ru−O and Mn−O in the Ga/MnRuO2 catalyst. The Ga/MnRuO2 catalyst breaks the stability-activity restriction, showing remarkable bifunctional performance with a low potential gap (ΔE) of 0.605 V and super durability with negligible performance degradation (300,000 ORR cycles or 30,000 OER cycles). The theoretical calculations revealed that the strong coupling electron interactions between Ga and Ru−O/Mn−O tuned the valence state distribution of the metal center, effectively modulating the adsorption behavior of *O/*OH, thus optimizing the reaction pathways and reducing the reaction barriers. The a-r-ZABs based on Ga/MnRuO2 catalysts exhibited excellent performance with a wide working temperature range of −20–60 °C and a long lifetime of 2308 hours (i.e., 13,848 cycles) under a current density of 5 mA cm−2 at −20 °C.

0402電気応用
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