金屬空氣電池(MAB)具有儲能高、重量輕、價格低廉等優(yōu)點,被視為重要的電動汽車潛在應(yīng)用技術(shù)。最近,韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所(UNIST)下屬的研究小組開發(fā)了一種新催化劑,可以提高 MAB 電池的性能,比如充放電效率。
MAB是最輕、最緊湊的電池之一,采用由純金屬制成的負極,如鋰、鋅、鎂和鋁,以及空氣正極,通過大氣中的氧氣與金屬發(fā)生反應(yīng)來產(chǎn)生電流。目前,MAB 電池采用鉑等貴金屬作為催化劑,雖然催化效果較好,但是成本太高,使其商業(yè)化應(yīng)用受到阻礙。與此同時,作為替代的鈣鈦礦催化劑,表現(xiàn)出良好的催化性能,但是激活率較低。
由于其高的理論能量密度,MAB被認為是下一代電動汽車的強大候選產(chǎn)品。當(dāng)前存在的MAB將稀有且昂貴的金屬催化劑用于其空氣電極,例如鉑(Pt)。
這阻礙了其進一步商業(yè)化進入市場。作為替代方案,已經(jīng)提出了表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能的鈣鈦礦催化劑,但是存在低的活化勢壘。
金教授通過結(jié)合兩種催化劑的新型復(fù)合催化劑解決了這一問題,每種催化劑在充放電反應(yīng)中均表現(xiàn)出出色的性能。
在充電中表現(xiàn)良好的金屬催化劑(氧化鈷)沉積在錳基鈣鈦礦催化劑(LSM)頂部的非常薄的層上,后者在放電中表現(xiàn)良好。結(jié)果,當(dāng)沉積過程重復(fù)20次時,兩種催化劑的協(xié)同作用變得最佳。
“在原子層沉積(ALD)過程的反復(fù)沉積和氧化循環(huán)中,Mn陽離子從LSM 擴散到Co3O4中,因此,LSM-20-Co催化劑由LSM封裝而成,該LSM被自重構(gòu)尖晶石中間層(Co3O4 / MnCo32O4 / LSM)。”
研究的第一作者Arim Seong(UNIST能源與化學(xué)工程組合MS / Ph.D。)說:“而且這增強了混合催化劑LSM-20-Co的催化活性,從而導(dǎo)致ORR和OER在堿性溶液中具有出色的雙功能電化學(xué)性能。”
“據(jù)我們所知,這是第一個研究在ALD過程中由原位陽離子擴散引起的自重構(gòu)中間層的研究,目的是設(shè)計一種用于堿性鋅-空氣電池的高效穩(wěn)定的雙功能催化劑。”研究團隊。
金教授說:“我們的發(fā)現(xiàn)為高效電催化劑的自重構(gòu)中間層提供了合理的設(shè)計策略。” “因此,這項工作可以為鈣鈦礦材料金屬氧化物的合理設(shè)計策略提供見識。”
Kim 教授將兩種催化劑組合在一起,使其形成新型復(fù)合催化劑,解決這一問題。在充放電反應(yīng)中,每種催化劑都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。充電性能良好的金屬催化劑(鈷氧化物),被沉積在非常薄的錳基鈣鈦礦催化劑(LSM)層體上,而 LSM 的放電性能很好。結(jié)果表明,當(dāng)沉積過程重復(fù)20次時,兩種催化劑的協(xié)同效應(yīng)達到最佳。
本項研究首席作者 Arim Seong 表示:" 在原子層沉積(ALD)過程中,經(jīng)過反復(fù)沉積和氧化循環(huán),錳離子從 LSM 擴散到 Co3O4。因此,LSM 和自重建尖晶石夾層(Co3O4/MnCo32O4/LSM)構(gòu)成 LSM-20- co 催化劑,從而增強 LSM-20-Co 混合催化劑的催化活性,使得 ORR 和 OER 在堿性溶液中的雙功能電化學(xué)性能更優(yōu)越。"
研究小組稱:" 據(jù)我們所知,本次研究首次涉及在 ALD 過程中由原位陽離子擴散形成的自重構(gòu)中間層,為堿性鋅空氣電池設(shè)計出高效穩(wěn)定的雙功能催化劑。"
Kim 教授表示:" 我們的研究成果為高效電催化劑提供了自重構(gòu)中間層的合理設(shè)計策略。因此,此項研究工作可為合理設(shè)計鈣鈦礦材料金屬氧化物提供參考。"