通过溶液等离子体合成钙钛矿氢氧化物催化剂实现高效锂空气电池

随着全球变暖的加剧，减少对化石燃料的依赖并转向替代绿色能源已势在必行。电动汽车的发展就是朝着这个方向迈进。然而，电动汽车需要高能量密度的电池才能发挥作用，而传统的锂离子电池无法胜任这项任务。理论上，锂空气电池比锂离子电池提供更高的能量密度。然而，在投入实际使用之前，这些电池需要提高能源效率，需要增强其循环特性，并且需要降低氧氧化还原反应充电/放电所需的过电势。

为了解决这些问题，需要合适的催化剂来加速电池内部的析氧反应(OER)。OER是水分解过程中极其重要的化学反应，可提高蓄电池的性能。稀有且昂贵的贵金属氧化物，例如氧化钌(IV)(RuO 2)和氧化铱(IV)(IrO 2)通常被用作催化剂来加速金属-空气电池的OER。更便宜的催化材料包括过渡金属，例如钙钛矿型氧化物和氢氧化物，它们对 OER 具有很高的活性。钴锡(OH) 6(CSO) 是一种钙钛矿型氢氧化物，被认为是一种有前途的 OER 催化剂。然而，目前合成 CSO 的方法速度较慢(需要超过 12 小时)并且需要多个步骤。

最近，由 Takahiro Ishizaki 教授、Masaki Narahara 先生和 Sangwoo Chae 博士领导的日本芝浦工业大学的一个研究小组取得了突破，仅用一步就在短短 20 分钟内合成了 CSO!为了实现这一非凡的壮举，该团队使用了溶液等离子体工艺，这是一种在非热反应领域合成材料的尖端方法。他们的研究发表在2023 年 4 月 17 日《可持续能源与燃料》杂志第 11 期上。

研究小组使用 X 射线衍射法表明，通过将 pH 值调整到大于 10 至 12，可以从前驱体溶液中合成高度结晶的 CSO。使用透射电子显微镜，他们进一步注意到 CSO 晶体是立方体形状的，尺寸约为100-300 nm。研究小组还使用 X 射线光电子能谱研究了 CSO 晶体的组成和结合位点，并在化合物中发现了二价态的钴 (Co) 和四价态的锡 (Sn)。

最后，该团队使用电化学方法来研究 CSO 作为 OER 催化剂的特性。他们观察到合成的CSO在10 mA cm -2的电流密度下具有350 mV的过电势。“在所有合成样品中，在 pH12 下合成的 CSO 具有最好的催化性能。事实上，该样品的催化性能甚至比商业级 RuO 2还要好一些，” Ishizaki 教授强调道。当pH 12样品被证明具有最低电势，特别是比市售RuO 2相对于可逆氢电极在10 mA cm -2下低104 mV时，这一点得到了证实。

总的来说，这项研究首次描述了一种简单有效的合成 CSO 的过程。这一过程使得CSO在锂空气电池中的应用切实有效，并为实现下一代电动电池开辟了新途径。

“合成的 CSO 在 OER 方面表现出优异的电催化性能。我们希望钙钛矿型CSO材料能够应用于能源器件，并为电动汽车的高功能化做出贡献。”石崎教授总结道。“这反过来又将使我们更接近实现碳中和，通过建立一个独立于化石燃料的新能源系统。”

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