Small Methods: 钙钛矿电催化剂的纳米化合成及其在能源领域的应用进展

自工业化以来,人类社会依托化石能源取得了飞跃的发展。然而,化石能源的过度使用造成了能源短缺、气候变暖、环境污染等能诸多问题。为了实现可持续发展,人类亟需研发新型、高效、绿色的能量存储与转换技术,如金属-空气电池、电解水、固体氧化物燃料电池等。目前,此类能源技术的大规模应用主要受制于其中涉及到的关键反应的缓慢的动力学。比如,金属-空气电池在充电和放电过程中的能量转换效率分别由氧析出反应(OER)和氧还原反应(ORR)的速率来决定;电解水过程的整体效率受到来自阴极的氢析出反应(HER)和阳极的OER的共同影响。类似地,固体氧化物燃料电池的功率密度由阴极的ORR和阳极的燃料氧化反应的速率共同决定。因此,研制高效的电催化剂以提高反应动力学是突破这些能源技术发展瓶颈的关键。

迄今为止,基于贵金属(如铂,铱,钌)的催化剂通常被公认为具有最高的电催化活性,但是这些贵金属催化剂存在资源稀缺、价格高昂、稳定性差等缺点,大大限制了它们的商业化应用。钙钛矿型氧化物具备种类多、成本低、活性高等特点,近年来得到了广泛的研究关注,并被视为可以取代贵金属催化剂的一类材料。然而,传统的钙钛矿型氧化物催化剂通常由溶胶凝胶法、固相反应法或高压合成法等方法得到,因而具备颗粒尺寸大、比表面积小、形貌特征少等缺点,这在很大程度上制约了它们的电催化活性。鉴于此,越来越多的研究人员采用先进的合成手段得到了纳米尺度的钙钛矿型氧化物,并实现了电催化性能的提升。

最近,澳大利亚科廷大学(Curtin University)和南京工业大学的许晓敏、王纬、周嵬和邵宗平等研究人员系统总结了钙钛矿电催化剂的纳米化合成策略,并讨论了其在金属-空气电池、电解水、固体氧化物燃料电池等能源领域的应用文章首先全面介绍了合成具备纳米结构的钙钛矿型氧化物的多种方法,包括湿化学法(如溶胶凝胶法、共沉淀法、水热合成法)、沉积合成法(如物理气相沉积、化学气相沉积、电沉积)、模板法、静电纺丝法、浸渍法、原位析出法等方法;然后系统概括了纳米结构的钙钛矿型氧化物在ORR、OER、HER和燃料氧化反应电催化以及相应的能源器件中的应用。文章也探讨了钙钛矿纳米结构在电催化领域的机遇与挑战,并就纳米效应、反应机理、催化剂稳定性、催化剂原位变化等问题提出了见解与应对措施,以期实现绿色能源的高效转换与存储。

相关综述论文以“Recent Advances in Novel Nanostructuring Methods of Perovskite Electrocatalysts for Energy-Related Applications”为题发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201800071)上。

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