钙钛矿/碳复合物应用于碱性溶液体系氧催化领域的最新综述

随着工业的大力发展和人们生活的不断提高,人类对能源的需求日益增加。然而在当今世界,过度地开发和使用化石能源造成了能源枯竭,并且造成了严重的环境污染。为了实现人类的可持续发展,寻求并开发绿色环保的能源系统(如燃料电池、金属-空气电池和电解水)是21世纪世界能源科技的主题。氧催化反应,即氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER),是燃料电池、金属-空气电池、电解水等清洁能源转换与存储技术的核心部分,也是制约这些新型能源技术商业化的主要瓶颈之一。因此,高性能氧催化电极材料的研制是当前这些技术发展的关键。迄今为止,贵金属Pt (及其合金)和贵金属氧化物RuO2/IrO2分别被公认是活性最好的ORR和OER 催化剂,但是这些贵金属催化剂由于存在资源短缺、价格昂贵、稳定性差的特点,从而阻碍了它们的大规模应用。钙钛矿氧化物由于成本低、资源丰富、种类多、环境友好等优点而有望成为贵金属催化剂的可替代品之一。然而,大部分钙钛矿氧化物的室温导电性不高,一定程度上限制了他们的氧催化活性。鉴于此,很多研究者在钙钛矿氧化物电极中加入导电碳材料,形成钙钛矿/碳复合物来提高钙钛矿的氧催化活性。

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通过对近几年相关文献进行案例分析,南京工业大学邵宗平教授课题组总结了钙钛矿氧化物/碳复合物在碱性溶液中氧催化领域的最新研究进展。文章首先介绍了影响钙钛矿氧化物氧催化活性的一些关键参数(如电子结构、氧空穴、晶体结构、电导率和形貌等)、然后总结了碳材料在钙钛矿/碳复合物中可能存在的多种作用以及钙钛矿/碳复合物的各种物理和化学合成方法。最后,对钙钛矿/碳复合物在氧催化过程中的协同效应进行了重点分析,提出配体效应、溢出效应和形成界面结构可能是协同效应的三种起因。文章也讨论了钙钛矿/碳复合物在碱性溶液中氧催化领域的挑战与机遇,在更合理评估钙钛矿活性方法、先进合成和表征手段、稳定性问题和拓展新应用等方面提出了见解和相对应的解决方案,希望在清洁能源系统中取得更多的突破。相关文章发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201603793)上,本文的第一作者是南京工业大学化工学院博士研究生朱印龙。

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