Elektrokemisk iltudvikling på Hf2B2Ir5 elektrodemateriale

Vandelektrolyse er en elektrokemisk måde til fremstilling af brint, som betragtes som et af de fremtidige energibærermolekyler. Derfor, ser på adskillige fordele ved protonudvekslingsmembranelektrolyse sammenlignet med den klassiske alkaliske variant, dets effektivitet og anvendelighed i stor skala er af enorm betydning i dag. Imidlertid, den langsomme kinetik af anode-iltudviklingsreaktionen (OER) begrænser den overordnede elektrolyseproces og kræver en aktiv og stabil elektrokatalysator.

Et sådant behov inspirerede forskerne fra afdelingerne for kemisk metalvidenskab og fysik af korreleret stof ved MPI CPfS sammen med Fritz-Haber-Institut i Berlin til at anvende deres mangeårige ekspertise inden for kemi af intermetalliske forbindelser, elektroniske egenskaber ved fast stof og elektrokatalyse for at gøre et skridt fremad i denne udfordrende retning. Som et resultat af frugtbart teamwork, konceptet med kooperative faser med forskellige stabiliteter under OER-betingelser blev med succes demonstreret med den intermetalliske forbindelse Hf ₂ B ₂ Ir ₅ som en selvoptimerende elektrokatalysator til OER.

Baseret på kemisk bindingsanalyse, den intermetalliske forbindelse Hf ₂ B ₂ Ir ₅ har en burlignende type af krystalstrukturen:de todimensionelle lag af B ₂ Ir ₈ enheder er indbyrdes forbundet med to- og tre-center Ir-Ir-interaktioner til polyanioniske strukturer, og hafniumatomer gæster i sådanne anioniske bure. De atomare interaktionstræk afspejles i den elektroniske struktur af Hf ₂ B ₂ Ir ₅ og dets kemiske adfærd under OER -forhold.

Den indledende elektrokemiske OER-aktivitet af Hf ₂ B ₂ Ir ₅ opretholdes under den kontinuerlige drift ved udviklede strømtætheder på 100 mA cm ^-2 i mindst 240 timer og placerer dette materiale blandt Ir-baserede state-of-the-art elektrokatalysatorer. De barske oxidative betingelser for OER aktiverer de overfladebegrænsede ændringer af det uberørte materiale, og som et resultat er den elektrokemiske ydeevne relateret til samarbejdet med den Ir-terminerede overflade af selve den ternære forbindelse og agglomerater af IrO _x (ÅH) _y (SÅ ₄ )z partikler.

Sidstnævnte dannes hovedsageligt på grund af oxidationen af ​​HfB4Ir3 sekundær fase og overfladenær oxidation af den undersøgte forbindelse. Tilstedeværelsen af ​​mindst to OER-aktive tilstande af Ir, stammede fra Hf ₂ B ₂ Ir ₅ under OER-betingelser, blev bekræftet af XPS -analysen. De eksperimentelle data (elektrokemiske resultater, materialekarakterisering ved hjælp af bulk- og overfladefølsomme metoder, grundstofanalyse af den brugte elektrolyt) stemmer overens med den kemiske bindingsanalyse. Det illustrerede koncept med samarbejdsfaser med forskellige kemiske stabiliteter under OER-forhold kan udforskes til andre systemer og tilbyder en perspektivisk videnbaseret måde til opdagelse af nye effektive OER-elektrokatalysatorer.