Justering af den elektrokatalytiske ydeevne af bifunktionelle katalysatorer

I jagten på meget aktive og billige elektrokatalysatorer, to reaktioner udgør en særlig udfordring:oxygenreduktionsreaktionen (ORR) og oxygenudviklingsreaktionen (OER). Begge er vigtige for udviklingen af ​​bedre brændselsceller, metal-luft batterier, og elektrolytisk vandspaltning. Materialer som platin, iridiumoxid og rutheniumoxid er velegnede til disse reaktioner, men de er sparsomme og dyre.

Ledet af Pacific Northwest National Laboratory videnskabsmand Yingge Du, et team af forskere er ved at vurdere alternativer. De arbejder sammen om at studere perovskit-strukturerede sjældne jordarters nikkelater (RNiO ₃ ), der kan tjene som bifunktionelle katalysatorer, der er i stand til at udføre både OER og ORR.

"Det er af stor videnskabelig og teknologisk interesse at undersøge ORR- og OER-aktiviteterne for det nært beslægtede RNiO ₃ familie, så der kan etableres et struktur-ejendoms-ydelsesforhold, " sagde Du. "Hvis du gør det, kan det give en bifunktionel katalysator, der kan erstatte ædelmetaller."

For nylig, Du og hans team udførte præstationstest på et sæt veldefinerede RNiO ₃ epitaksielle tynde film og opdagede, hvilke egenskaber der bidrager til højere elektrokatalytisk aktivitet. Ved at indstille de sjældne jordarters elementer (R), videnskabsmænd korrelerede de strukturelle og fysiske egenskaber af forskellige nikkelater med deres ORR- og OER-aktiviteter.

"Vi fandt ud af, at tuning af sjældne jordarters elementer er en effektiv strategi til at afbalancere ORR og OER aktiviteter af bifunktionelle elektrokatalysatorer, " bemærkede Du.

Deres studie, "Tuning af bifunktionelle iltelektrokatalysatorer ved at ændre sjældne jordarter på A-stedet i perovskit-nikkelater blev for nylig offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .

At designe højtydende bifunktionelle elektrokatalysatorer kræver strategisk afbalancering af OER og ORR. Ved at undersøge disse aktiviteter i det nært beslægtede RNiO ₃ familie, videnskabsmænd kan etablere struktur-ejendom-performance-forhold - et område, der endnu ikke er blevet systematisk udforsket. Disse grundlæggende indsigter kan bruges til at designe bedre, billigere katalysatorer til at udføre disse kritiske oxygenreaktioner.

Du og hans forskerhold undersøgte en serie af sjældne jordarters nikkelat tynde film dyrket på SrTiO ₃ (001) ved pulserende laseraflejring, hvor R-variationer inkluderer lanthan (La), neodym (Nd), samarium (Sm), og gadolinium (Gd).

Det blev fundet, at reduktion af den ioniske radius af R (r _La > r _Nd > r _Sm > r _Gd ) ville føre til et fald i den elektroniske ledningsevne af de resulterende film, hvilket påvirker ORR på en negativ måde. På den anden side, OER-aktiviteten steg oprindeligt ved at erstatte La med mindre ioner, såsom Nd eller blandinger af Nd og Sm. Reduktion af radius af R viste sig at øge den gennemsnitlige belægning af antibindingen, f.eks. orbital gennem dannelsen af ​​ilt ledige pladser, en tilstand, der vides at øge OER-aktiviteten.

Arbejdet viser, at selvom OER og ORR ikke kan forbedres samtidigt i RNiO ₃ , det fremtidige design af sådanne bifunktionelle elektrokatalysatorer bør drage fordel af strategiske afvejninger, især i betragtning af den langsomme kinetik af OER er hovedårsagen til energitab for mange lavtemperaturenergilagringsenheder.

Forskerne fortsætter med at undersøge virkningen af ​​belastning og doping på det fysiske, kemisk, og iontransportegenskaber af RNiO ₃ .