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Com o aumento do aquecimento global, tornou-se imperativo reduzir a dependência de combustíveis fósseis e mudar para fontes alternativas de energia verde. O desenvolvimento de veículos elétricos é um movimento nessa direção. No entanto, os veículos elétricos requerem baterias de alta densidade de energia para o seu funcionamento, e as baterias convencionais de íon-lítio não estão à altura da tarefa. Teoricamente, as baterias de lítio-ar fornecem uma densidade de energia maior do que as baterias de íons de lítio. No entanto, antes que possam ser colocadas em uso prático, essas baterias precisam ser energeticamente eficientes, suas características de ciclo precisam ser aprimoradas e o sobrepotencial necessário para carregar/descarregar a reação redox de oxigênio precisa ser reduzido.
Para resolver esses problemas, é necessário um catalisador adequado para acelerar a reação de evolução do oxigênio (OER) dentro da bateria. O OER é uma reação química extremamente importante envolvida na separação da água para melhorar o desempenho das baterias de armazenamento. Óxidos de metais nobres raros e caros, como óxido de rutênio (IV) (RuO2) e óxido de irídio (IV) (IrO2) têm sido normalmente usados como catalisadores para agilizar o OER de baterias de metal-ar. Materiais catalíticos mais acessíveis incluem metais de transição, como óxidos e hidróxidos do tipo perovskita, que são conhecidos por serem altamente ativos para os OER. CoSn(OH)6 (CSO) é um desses hidróxidos do tipo perovskita que é conhecido por ser um promissor catalisador OER. No entanto, os métodos atuais de sintetizar CSO são lentos (requerem mais de 12 horas) e requerem várias etapas.
Em uma descoberta recente, uma equipe de pesquisa do Shibaura Institute of Technology no Japão, liderada pelo Prof. Takahiro Ishizaki junto com o Sr. Masaki Narahara e o Dr. Sangwoo Chae, conseguiu sintetizar o CSO em apenas 20 minutos usando apenas uma única etapa! Para alcançar esse feito notável, a equipe usou um processo de solução de plasma, um método de ponta para síntese de material em um campo de reação não térmico. Sua pesquisa foi publicada na edição 11 da revista Energia e Combustíveis Sustentáveis em 17 de abril de 2023.
A equipe usou difratometria de raios X para mostrar que CSO altamente cristalino poderia ser sintetizado a partir de uma solução precursora ajustando o pH para valores maiores que 10 a 12. Usando um microscópio eletrônico de transmissão, eles notaram ainda que os cristais CSO tinham formato de cubo, com tamanhos de cerca de 100-300 nm. A equipe também usou espectroscopia de fotoelétrons de raios-X para investigar a composição e os locais de ligação dos cristais CSO e encontrou cobalto (Co) em um estado bivalente e estanho (Sn) em um estado tetravalente dentro do composto.
Finalmente, a equipe usou um método eletroquímico para observar as propriedades do CSO como um catalisador para OER. Eles observaram que o CSO sintetizado tinha um sobrepotencial de 350 mV a uma densidade de corrente de 10 mA cm−2. “O CSO sintetizado em pH 12 tinha a melhor propriedade catalítica entre todas as amostras sintetizadas. Na verdade, esta amostra tinha propriedades catalíticas ligeiramente melhores do que a do RuO de grau comercial.2“ destaca o Prof. Ishizaki. Isso foi confirmado quando a amostra de pH 12 mostrou ter o menor potencial, especificamente 104 mV menor do que o RuO comercialmente disponível2 vs. eletrodo reversível de hidrogênio a 10 mA cm−2.
No geral, este estudo descreve, pela primeira vez, um processo fácil e eficiente para sintetizar CSO. Este processo torna o CSO praticamente eficaz para uso em baterias de lítio-ar e abre um novo caminho para a realização de baterias elétricas de próxima geração.
“O CSO sintetizado mostrou propriedades eletrocatalíticas superiores para OER. Esperamos que os materiais CSO do tipo perovskita sejam aplicados a dispositivos de energia e contribuam para a alta funcionalização de veículos elétricos”, conclui o Prof. Ishizaki. “Isso, por sua vez, nos aproximará um passo para alcançar a neutralidade de carbono, permitindo um novo sistema de energia independente de combustíveis fósseis”.
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