طور علماء معهد شيباورا للتكنولوجيا طريقة أسرع وأكثر كفاءة لتجميع مادة CoSn(OH)6 التي يشار إليها اختصارًا بسي إس أو (CSO)، وهي محفز قوي مطلوب لبطاريات الليثيوم الهوائية عالية الطاقة.

نُشرت الورقة البحثية في مجلة الطاقة المستدامة والوقود (Sustainable Energy & Fuels). إن مادة سي إس أو (CSO) محفز فعال في تفاعل توليد الأكسجين (OER)، وهو ضروري لتطوير بطاريات الليثيوم الهوائية من الجيل التالي. ومع ذلك، فإن الطرق الحالية لتوليف سي إس أو (CSO) معقدة وبطيئة. في الآونة الأخيرة، قام فريق بحث دولي بتصنيع سي إس أو (CSO) في خطوة واحدة في غضون 20 دقيقة باستخدام محلول البلازما لتوليد بلورات نانوية سي إس أو (CSO) ذات خصائص تحفيزية ممتازة لتفاعل توليد الأكسجين. يمكن أن تعزز النتائج التي توصلوا إليها تصنيع البطاريات عالية الكثافة للطاقة.

هناك ضغط لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري والتحول إلى مصادر الطاقة الخضراء البديلة. إن تطوير السيارات الكهربائية هو خطوة نحو هذا الاتجاه.

ومع ذلك، تتطلب السيارات الكهربائية بطاريات ذات طاقة عالية الكثافة لتشغيلها، وبطاريات الليثيوم أيون التقليدية لا ترقى إلى مستوى المهمة. من الناحية النظرية، توفر بطاريات الليثيوم الهوائية كثافة طاقة أعلى من بطاريات الليثيوم أيون. ولكن قبل أن يتم استخدامها عمليًا، يجب جعل هذه البطاريات موفرة للطاقة، ويجب تحسين خصائص الدورة الخاصة بها، كما يجب تقليل الجهد الزائد اللازم لشحن / تفريغ تفاعل الأكسدة والاختزال.

لمعالجة هذه المشكلات، هناك حاجة إلى محفز مناسب لتسريع تفاعل توليد الأكسجين (OER) داخل البطارية. إن تفاعل توليد الأكسجين هو تفاعل كيميائي بالغ الأهمية يشارك في فصل الماء لتحسين أداء بطاريات التخزين.

تم استخدام أكاسيد المعادن النبيلة النادرة والمكلفة مثل أكسيد الروثينيوم (RuO2) وأكسيد الإيريديوم (IrO2) عادةً كمحفزات لتسريع تفاعل توليد الأكسجين للبطاريات المعدنية الهوائية. تشتمل المواد الحفازة ذات الأسعار المعقولة على معادن انتقالية مثل أكاسيد وهيدروكسيدات البيروفسكايت، المعروفة بفعاليتها العالية في تفاعل توليد الأكسجين.

إن مادة سي إس أو (CSO) هي أحد أنواع هيدروكسيد البيروفسكايت المعروف بأنه محفز لتفاعل توليد الأكسجين واعد. ومع ذلك، فإن الطرق الحالية لتركيب سي إس أو (CSO) بطيئة (تتطلب أكثر من 12 ساعة) وتتطلب خطوات متعددة.

تم استخدام أكاسيد المعادن النبيلة النادرة والمكلفة مثل أكسيد الروثينيوم (RuO2) وأكسيد الإيريديوم (IV) (IrO2) عادةً كمحفزات لتسريع تفاعل توليد الأكسجين للبطاريات المعدنية الهوائية.

تشتمل المواد الحفازة ذات الأسعار المعقولة على معادن انتقالية، مثل أكاسيد البيروفسكايت وهيدروكسيدات، المعروفة بفعاليتها العالية في تفاعل توليد الأكسجين. إن مادة سي إس أو (CSO) هي أحد أنواع هيدروكسيد البيروفسكايت المعروف بأنه محفز لتفاعل توليد الأكسجين واعد. ومع ذلك، فإن الطرق الحالية لتركيب سي إس أو (CSO) بطيئة (تتطلب أكثر من 12 ساعة) وتتطلب خطوات متعددة.

في إنجاز حديث، تمكن فريق بحثي من معهد شيباورا للتكنولوجيا في اليابان – بقيادة الأستاذ تاكاهيرو إيشيزاكي جنبًا إلى جنب مع السيد ماساكي ناراهارا والدكتور سانغوو تشاي – من تركيب سي إس أو (CSO) في 20 دقيقة فقط باستخدام خطوة واحدة فقط! لتحقيق هذا الإنجاز الرائع، استخدم الفريق عملية حل البلازما، وهي طريقة متطورة لتخليق المواد في مجال تفاعل غير حراري. نُشر بحثهم في مجلة الطاقة المستدامة والوقود.

استخدم الفريق قياس حيود الأشعة السينية لإظهار أنه يمكن تصنيع سي إس أو (CSO) عالي التبلور من محلول سلائف عن طريق ضبط درجة الحموضة إلى قيم أكبر من 10 إلى 12. باستخدام مجهر إلكتروني للإرسال، لاحظوا أيضًا أن بلورات سي إس أو (CSO) كانت على شكل مكعب، بأحجام حوالي 100-300 نانومتر. استخدم الفريق أيضًا التحليل الطيفي للإلكترون بالأشعة السينية للتحقيق في تكوين ومواقع الارتباط لبلورات سي إس أو (CSO) ووجد الكوبالت (Co) في ثنائي التكافؤ والقصدير (Sn) في حالة رباعي التكافؤ داخل المركب.

أخيرًا، استخدم الفريق طريقة كهروكيميائية للنظر في خصائص سي إس أو (CSO) كمحفز لتفاعل توليد الأكسجين. لاحظوا أن سي إس أو (CSO) المُصنَّع لديه جهد زائد قدره 350 مللي فولت بكثافة حالية تبلغ 10 مللي أمبير سم-2.

قال الأستاذ إيشيزاكي: “إن سي إس أو (CSO) المركب في درجة الحموضة 12 كان لديه أفضل خاصية تحفيزية بين جميع العينات المركبة. في الواقع، كانت هذه العينة تتمتع بخصائص تحفيزية أفضل قليلاً من تلك الموجودة في أكسيد الروثينيوم (RuO2) من الدرجة التجارية”. تم تأكيد ذلك عندما تبين أن عينة الرقم الهيدروجيني 12 لديها أدنى جهد، وتحديداً أقل بـ 104 مللي فولت من تلك الموجودة في أكسيد الروثينيوم (RuO2) المتاح تجارياً مقارنةً بقطب الهيدروجين القابل للانعكاس عند 10 مللي أمبير سم-2.

بشكل عام، تُجري هذه الدراسة لأول مرة عملية سهلة وفعالة لتوليد مادة سي إس أو (CSO). تجعل هذه العملية مادة سي إس أو (CSO) فعالة من الناحية العملية للاستخدام في بطاريات الليثيوم الهوائية وتفتح طريقًا جديدًا نحو الجيل التالي من البطاريات الكهربائية.

اختتم الأستاذ إيشيزاكي بالقول: “أظهر سي إس أو (CSO) المُصنّع خصائص تحفيزية كهربائية فائقة لتفاعل توليد الأكسجين. نأمل أن يتم تطبيق مواد سي إس أو (CSO) من نوع البيروفسكايت على أجهزة الطاقة وأن تساهم في التشغيل العالي للسيارات الكهربائية. وهذا بدوره سيقربنا خطوة أخرى من تحقيق حياد الكربون، وذلك من خلال تمكين نظام طاقة جديد مستقل عن الوقود الأحفوري”.

اقرأ أيضًا المحللون يتوقعون مزيد من المكاسب المستقبلية للبتكوين

المصدر: أويل برايس