面向金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池应用的钴基电催化剂综述

在21世纪的今天,由石油、煤炭等化石资源的过度开发与使用所引发的能源和环境问题日趋严重,开发经济、高效的能源转换与存储装置已成为新时代的研究主题。金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池,作为高效的能源转换与存储装置,可以实现化学能向电能的高效转换,具有效率高、环境友好、成本低的显著优点,在过去十几年内受到了研究者的广泛关注,取得了惊人的成果。但与此同时,人们在研究中发现阴极(正极)缓慢的氧还原和氧析出反应速率极大地降低了电池转换效率,增加了应用成本,在很大程度上制约了金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池的商业化发展和应用。钴基催化剂作为一种高效阴极材料,相比贵金属成本较低,且具有混合离子-电子导电性,可以有效降低极化电阻,对阴极氧还原和氧析出反应显示出高催化活性,近年来吸引了国内外学者极大的研究兴趣。对于金属-空气电池,虽然钴基催化剂如钴氧化物、尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物等材料能够显著地提高金属-空气电池的电容量和循环性能,并且降低充电电压,有效降低极化,但是其催化活性和稳定性有待提高,催化机理和活性位点也需要进一步明确和探究;对于中低温固体氧化物燃料电池,钴基催化剂包括La_(1-x)Sr_xCoO_3-δ、La_(1-x)Sr_xCo_(1-y)FeyO_3-δ、Ba_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_3-δ和钴基双钙钛矿等材料可以大大降低阴极极化电阻和面积比电阻,提高功率密度,但是相对其他催化剂,热膨胀系数普遍较高,稳定性也较差。为了进一步提高钴基催化剂应用在金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池中的催化活性,研究者采用了掺杂其他金属元素、与其他物质组成复合阴极材料以及贵金属修饰等方法,在很大程度上提高了这两种电池的性能。本文简要介绍了金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池的结构、工作原理,并在此基础上着重评述了近年来面向这两种能源转换与存储器件的,包括钴氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物和双钙钛矿氧化物等在内的各种钴基电催化剂的制取、改性和性能研究探索与成果。