Raziskave in uporaba redkih zemeljskih materialov v baterijah
Baterije imajo prednosti, kot so visoka učinkovitost pretvorbe in nizke emisije ogljika, zaradi česar so idealen vir zelene energije. Trenutno raziskave in uporaba redkih zemeljskih katalitičnih materialov v baterijah vključujejo predvsem: litij-ionske baterije, gorivne celice s trdnim oksidom, membranske gorivne celice protonske izmenjave, baterije kovinskih zrak in sončne celice.
Litij-ionske baterije imajo prednosti visoke gostote energije, velike gostote moči, dolge življenjske dobe in brez onesnaženja. Za anodne materiale je razvoj katodnih materialov, ki zaostajajo, ključni dejavnik, ki določa delovanje litij-ionskih baterij. Na podlagi značilnosti redkih zemeljskih elementov, kot so visok naboj in močna sposobnost polarizacije, bo vključitev redkih zemeljskih elementov v litij-ionske baterije postala pomembna raziskovalna smer za spreminjanje litij-ionskih baterij. Lee et al. DOPED LIMN2O4 z redkimi zemeljskimi elementi in ugotovil, da doping z elementi, kot so Y, ND, GD in CE, povečal konstanto rešetke LIMN2O4 in povečal stabilnost okvira Limn2O4, s čimer je spodbujala hitrost migracije litijevih ionov. Liu et al. ugotovili, da imata LA in al-dopirana LICOO2 zelo visoka zmogljivost in stabilnost, z znatnim izboljšanjem učinkovitosti hitrosti materiala.
Gorilne celice trdnih oksidov (SOFC) so naprave, ki kemično energijo pretvorijo v električno energijo z redoks reakcijami z uporabo kisika ali drugih oksidantov. V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic imajo SOFC visoko učinkovitost proizvodnje energije, veliko gostoto energije, visoko modularnost ter prilagodljivo zasnovo in namestitev. SOFC vsebujejo komponente, kot so elektroliti, katode, anode in bipolarne plošče (povezovalni materiali). Edinstvene fizikalno -kemijske lastnosti redkih zemeljskih elementov zagotavljajo njihovo pomembno vlogo v različnih sestavnih delih gorivnih celic. Redki zemeljski kompozitni oksidi imajo bogato ionsko in elektronsko prevodnost, na podlagi tega pa se pogosto uporabljajo kot katalizatorji v gorivnih celicah s trdnim oksidom. Ker imajo GD, SM in CE podobne ionske polmere, doping GD ali SM v CEO2 povzroči materiale z visoko prevodnostjo in povečano koncentracijo luknje anode, kar bistveno izboljšajo toleranco z žveplom na anodi.
Membranske gorivne celice protonske izmenjave (PEMFC) uporabljajo vodik ali preoblikovanje plina kot gorivo in kisik ali zrak kot oksidant, pri čemer je reakcijski produkt voda. Za izboljšanje hitrosti elektrokemične reakcije je treba določeno količino katalizatorja naložiti na plinsko difuzijsko elektrodo s PT, ki ima visoko katalitično aktivnost, ki se običajno izbere kot elektrokatalizator. Vendar pa draga cena PT in njegova dovzetnost za zastrupitve omejuje njegovo obsežno uporabo. Trenutno vse večje raziskave kažejo, da uvajanje nizkocenovnih redkih zemeljskih elementov kot sekundarnih ali terciarnih dopantov v katalizatorje ne samo zmanjšuje stroške proizvodnje, ampak tudi znatno izboljša aktivnost in protipozorovalno delovanje katalizatorja.
Kovinske baterije imajo prednosti visoko energijske gostote in visoko učinkovitost pretvorbe energije, vendar reakcija zmanjšanja kisika še vedno zahteva katalitično pomoč za izboljšanje učinkovitosti pretvorbe energije. Na tem področju so redki zemeljski materiali, kot je cerijev dioksid (CEO2), pridobili pozornost zaradi odličnih sposobnosti shranjevanja in sproščanja kisika, kar omogoča uravnavanje vsebnosti kisika v reakcijskem okolju. Kitajski raziskovalci so o tem izvedli obsežne študije. Perovskitni oksidi (ABO3) so trenutno vroča tema za elektronske materiale. Čeprav je njihova prevodnost slaba in je njihova površina omejena, so njihova odlična bifunkcionalna katalitična zmogljivost in prilagodljiva elementarna sestava pritegnila veliko raziskovalnega zanimanja. Yanova raziskovalna skupina je pripravila Laco 0. 75fe 0. 25O3, ki je pokazala odlično bifunkcijsko katalitično aktivnost tako za reakcijo evolucije kisika (OER) kot reakcijo zmanjšanja kisika (ORR). Nadalje so sestavili trdno prožno baterijo Zn-Air, ki je pokazala odlično polnjenje, kolesarsko stabilnost in izjemno trajnost, kar je zagotavljalo velik potencial za praktične aplikacije (slika 1).
Slika 1 Raziskave o učinkovitosti redkih zemeljskih perovskitnih oksidov v baterijah z cinkovim zrakom
Redki zemeljski luminescentni materiali vključujejo luminescentno materiale navzgor in konverzije navzdol, z emisijskimi spektri, predvsem v območju 400–700 nm, v območju valovne dolžine, ki ga je mogoče učinkovito uporabiti s sončno energijo. Razvoj redkih zemeljskih svetilnih materialov s funkcijami navzgor/navzdol lahko znatno izboljša učinkovitost fotovoltaične pretvorbe sončnih celic. Številni raziskovalci so odlično prispevali k izboljšanju absorpcije svetlobe in fototoku v sončnih celicah, občutljivih na barvila. Da bi izboljšali zajem svetlobe, Hafez in sod. Sintetizirani TiO2: EU 3+/TiO2 nanodelci dvoplastne elektrode za sončne celice, občutljive na barvanje. On et al. Uporabili luminescentne materiale za pretvorbo za prvič izboljšali učinkovitost organskih halogenidnih perovskitnih sončnih celic. Ramasamy in sod. Vključeno -Nagdf4: YB3ER3FE nanodelci navzgor-pretvorbe z nanodelci Ag, da tvorijo odbojni mehanizem za sončne celice, občutljive na barvanje, kar močno poveča njihovo učinkovitost.
Pri raziskavah in proizvodnji baterijskih materialov se lahko široko uporabijo visoke redke zemeljske kovine, kot so Scandium, Ytrium, Samarium, Europium, ki ga proizvaja HNRE. Ponujamo tudi druge oblike redkih zemeljskih materialov, kot so 6N čisti redki zemeljski oksidi, kloridi in redki zemeljski razpršilni cilji in izhlapevalni materiali za procese PVD.