高效穩(wěn)定的雙功能催化劑，可助于MAB電池的充放電性能提升

3月24日，據(jù)外媒報道，韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）能源與化學(xué)工程學(xué)院 Guntae Kim 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，推出新型復(fù)合催化劑，有效提升 MAB 電池的充放電性能。他們將極薄的金屬氧化物薄膜沉積在鈣鈦礦催化劑表面，通過兩種催化劑之間自然形成的界面，提高新催化劑的整體性能和穩(wěn)定性。

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(fù)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(rèn)為是下一代電動汽車的強(qiáng)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(jìn)一步商業(yè)化進(jìn)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(kuò)散到Co 3 O 4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（Co 3 O 4 / MnCo 32 O 4 / LSM）?！?/p>

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(qiáng)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?！?/p>

“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(kuò)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?！毖芯繄F(tuán)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?！?/p>

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(dá)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(kuò)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(qiáng) 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?！?/p>

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(kuò)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?！?/p>

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