Investigadores del SIT en Japón han desarrollado un método nuevo y eficiente para sintetizar nanocristales de CSO en menos de 20 minutos mediante un proceso de plasma en solución. Crédito: Tennen-Gas de Wikimedia Commons; tipo de licencia: CC BY-SA 3.0
Con el aumento del calentamiento global, se ha vuelto necesario reducir la dependencia de los combustibles fósiles y cambiar a fuentes de energía alternativas y verdes. El desarrollo de vehículos eléctricos es un paso en esta dirección. Sin embargo, los vehículos eléctricos requieren baterías de alta densidad de energía para funcionar, y las baterías de iones de litio convencionales no están a la altura. En teoría, las baterías de litio-aire proporcionan una mayor densidad de energía que las baterías de iones de litio. Sin embargo, antes de que puedan usarse en la práctica, estas baterías deben ser energéticamente eficientes, deben mejorarse sus características cíclicas y debe reducirse el sobrepotencial necesario para cargar/descargar la reacción redox del oxígeno.
Para resolver estos problemas, se necesita un catalizador adecuado para acelerar la reacción de evolución de oxígeno (OER) dentro de la batería. OER es una reacción química extremadamente importante relacionada con la división del agua para mejorar el rendimiento de la batería. Óxidos de metales preciosos raros y costosos como el óxido de rutenio (IV) (RuO2) y óxido de iridio (IV) (IrO2) se usaban normalmente como catalizadores para acelerar la REA de las baterías de metal-aire. Los materiales catalíticos más asequibles incluyen metales de transición como los óxidos e hidróxidos de tipo perovskita, que se sabe que son muy activos para los OER. CoSn(OH)6 (CSO) es uno de esos hidróxidos de tipo perovskita que se sabe que es un catalizador OER prometedor. Sin embargo, los métodos de síntesis de CSO actuales son lentos (requieren más de 12 horas) y requieren varios pasos.
En un avance reciente, un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Shibaura en Japón, dirigido por el Prof. Takahiro Ishizaki, junto con Masaki Narahara y el Dr. Sangwoo Chae, lograron sintetizar CSO en solo 20 minutos usando un solo paso. Para lograr esta notable hazaña, el equipo utilizó el proceso de plasma en solución, un método de última generación para sintetizar materiales en un campo de reacción no térmico. Su investigación fue publicada en Energía y combustibles sostenibles el 17 de abril de 2023
El equipo usó la difracción de rayos X para demostrar que se podía sintetizar CSO altamente cristalino a partir de una solución precursora ajustando el pH a valores mayores de 10 a 12. Usando un microscopio electrónico de transmisión, también notaron que los cristales de CSO eran cúbicos. en forma, alrededor de 100-300 nm de tamaño. El equipo también utilizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para estudiar la composición y los sitios de unión de los cristales de CSO y descubrió cobalto (Co) en estado divalente y estaño (Sn) en estado tetravalente en el compuesto.
Finalmente, el equipo utilizó un método electroquímico para observar las propiedades de CSO como catalizador de REA. Observaron que el CSO sintetizado tenía un sobrepotencial de 350 mV a una densidad de corriente de 10 mA cm−2.
“El CSO sintetizado a pH 12 tuvo las mejores propiedades catalíticas de todas las muestras sintetizadas. De hecho, esta muestra tenía propiedades catalíticas ligeramente mejores que incluso el RuO comercial.2”, enfatiza el Prof. Ishizaki. Esto se confirmó cuando se demostró que una muestra de pH 12 tenía el potencial más bajo, específicamente 104 mV más bajo que el RuO disponible comercialmente.2 contra electrodo de hidrógeno reversible a 10 mA cm−2.
En general, este estudio describe por primera vez un proceso fácil y eficiente para sintetizar OSC. Este proceso hace que CSO sea prácticamente efectivo para aplicaciones de baterías de litio-aire y abre una nueva vía hacia la realización de baterías eléctricas de próxima generación.
“El CSO sintetizado mostró excelentes propiedades electrocatalíticas para REA. Esperamos que los materiales CSO de tipo perovskita encuentren aplicación en dispositivos de potencia y contribuyan a la alta funcionalidad de los vehículos eléctricos”, concluye el Prof. Ishizaki. “Esto, a su vez, nos acercará un paso más a convertirnos en carbono neutral al permitir un nuevo sistema de energía independiente de los combustibles fósiles”.
Más información:
Masaki Narahara et al., Síntesis de plasma de solución de hidróxido de perovskita de CoSn (OH) 6 de electrocatalizadores de nanocubos hacia la reacción de evolución de oxígeno, Energía y combustibles sostenibles (2023). DOI: 10.1039/D3SE00221G
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Shibaura