노스웨스턴 대학교 연구팀은 최근 기존 배터리와 완전히 다른 새로운 에너지 저장 물질을 시연했습니다. 노란색 액체 형태로 존재합니다. 가시광선, 전류, 화학 연료 또는 X선의 작용으로 "충전"된 후 자발적으로 조립되어 검정색 전도성 하이드로겔로 변형됩니다. 산소가 없는 상태에서 몇 달 동안 전자를 저장할 수 있으며, 후속 화학 반응을 위한 산화력을 제공하기 위해 필요할 때 이러한 전자를 산소로 방출할 수 있습니다.
Chem 저널에 발표된 연구 결과는 단일 연성 소재 플랫폼에 에너지 수확, 에너지 저장, 구조 리모델링 및 촉매 기능을 통합할 수 있는 "세포에서 영감을 받은" 화학 시스템으로 팀에 의해 설명됩니다. 휴대폰과 기타 기기에 전원을 공급하는 데 사용되는 리튬 이온 배터리의 전통적인 개념과 달리 이 소재는 안정적인 전류를 출력하는 전기화학 배터리가 아니라 화학적 산화환원 에너지를 반복적으로 '채우고' '방출'할 수 있는 연성 물질 창고에 가깝습니다.
충전되지 않은 상태에서 물질은 작은 구형 분자 집합체로 구성된 노란색 액체입니다. 가시광선, 전류, 화학 연료 또는 X-선과 같은 에너지원에 노출되면 분자는 전자를 받아들이고 전자 구조를 변경하여 π-π 상호 작용과 자유 라디칼 "피머"의 형성을 통해 분자의 스택 및 결합을 촉발하고 최종적으로 장쇄 초분자 고분자 섬유로 재구성되어 원래 느슨한 액체가 검은색 전도성 하이드로겔로 재구성됩니다. 이 과정에서 '충전된 상태' 자체가 '조립 상태'가 된다. 분자는 기존 배터리 전극의 이온과 같은 전하를 수동적으로 저장하지 않지만 추가 전자 주위에 재배열하여 새로운 소프트 구조를 구축함으로써 저장된 전자를 물리적으로 안정화합니다.
무산소 환경에서 이 검은색 젤은 오랫동안 전자를 봉인할 수 있습니다. 연구팀은 산소 없이도 몇 달 동안 에너지 저장 상태를 유지할 수 있다고 주장한다. 에너지를 방출해야 할 때 산소가 도입됩니다. 산소 분자는 겔에 저장된 전자를 받아 반응성이 높은 산소 함유 종을 생성합니다. 이러한 활성 산소종은 유기 기질을 산화시키고 일련의 산화환원 반응을 촉진할 수 있습니다. 즉, 물질은 전류보다는 화학적 산화환원 작업을 출력합니다. 그것이 저장하는 것은 여분의 전자 형태로 겔 내부에 존재하는 화학 에너지입니다. 공기에 노출되면 산소는 이러한 전자를 소비하고 물질이 점차 원래의 노란색 액체 상태로 돌아가도록 유도합니다.
연구팀은 이 시스템을 "암흑 광촉매"의 모델로 간주합니다. 전통적인 광촉매에서는 반응이 일어날 때 빛이 지속적으로 관여해야 합니다. 이 작업에서 물질은 빛 에너지나 다른 에너지에 의해 미리 "사전 충전"된 다음 어두운 환경에서 오랫동안 전자를 저장할 수 있습니다. 나중에 필요할 때 이렇게 저장된 전자를 사용하여 산화를 통해 화학 반응을 유도할 수 있습니다. 이는 특정 빛 구동 촉매 과정이 미래에 빛이 없는 상황에서도 계속되어 환경 개선, 오염 물질 분해, 표면 살균 및 일련의 광촉매 화학을 위한 새로운 시간과 공간 유연성을 제공할 것으로 예상된다는 것을 의미합니다.
노스웨스턴 대학 팀은 이것이 "자기 재구성"을 통해 에너지를 저장하는 물질의 첫 번째 예라고 강조했습니다. 에너지의 포착, 저장 및 방출은 더 이상 고정 구조 엔지니어링 장치(예: 배터리의 전극 또는 태양 전지의 반도체)에 의존하지 않고 충전 및 방전 과정에서 자체 구조를 동적으로 변경할 수 있는 연성 물질 플랫폼에 제공됩니다. 산화 반응이 완료된 후 산소는 겔 내의 전자를 계속 소비하고 점차적으로 노란색 액체로 되돌립니다. 이 "재설정" 프로세스를 통해 시스템을 재충전할 수 있으며 재활용 가능성도 있습니다.
현재 연구는 아직 개념적, 실험적 단계에 있다. 해당 기사는 "Chem" 저널에 게재되었습니다. 노스웨스턴 대학의 공식 보도 자료에서는 이를 "에너지를 포착하고 필요할 때 방출하는" 세포에서 영감을 받은 물질의 일종으로 지정하여 오래 지속되는 에너지 저장, 프로그래밍 가능한 촉매 작용 및 환경 응용 분야의 미래 탐사를 위한 새로운 디자인 아이디어를 제공합니다.