En integreret tilgang til at opdage stabile og billige elektrokatalysatorer

En gruppe forskere har undersøgt, om datamining kunne fremskynde identifikationen af ​​billige metaloxidelektrokatalysatorer og fremskynde verdens overgang væk fra fossile brændstoffer.

Detaljer om forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science den 7. december 2023.

Verdens afhængighed af fossile brændstoffer har drevet videnskabsmænd til at udforske vedvarende energikilder. Elektrokemiske konverteringsteknologier, såsom brændselscelledrift, vandelektrolyse og metal-luft-batterier, tilbyder lovende strategier til overgangen til en bæredygtig energifremtid. Men afhængigheden af ​​ædle metaller i mange elektrokatalytiske reaktioner udgør økonomiske og miljømæssige udfordringer.

Metaloxider har potentiale til at ændre dette på grund af deres stabilitet og lavere omkostninger end ædle metaller, især under alkaliske elektrokatalytiske forhold. Alligevel er søgningen efter disse metaloxider ressourcekrævende, hvor videnskabsmænd stoler på trial-and-error-processen.

"Med datamining som en levedygtig løsning på dette problem, satte vi os for at undersøge mulighederne og udfordringerne ved at vedtage denne strategi for at finde metaloxider," siger Hao Li, lektor ved Tohoku Universitys Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) og tilsvarende forfatter til papiret.

For at gøre det udnyttede Li sammen med sine kolleger de omfattende data, der var tilgængelige i Materials Project-databasen, og identificerede 68 lovende stabile metaloxidelektrokatalysatorer under specifikke forhold.

De bemærkede, at databasen promoverede Sb₂ WO₆ som et stabilt metaloxid i syre. Dette er baseret på det vandige stabilitetsdiagram - en grafisk repræsentation, der illustrerer den termodynamiske stabilitet af forskellige kemiske arter i en vandig opløsning som funktion af pH og det elektriske potentiale. Ifølge diagrammet er Sb₂ WO₆ er stabil under oxygenreduktionsreaktionen (ORR) i sure medier, men temmelig ustabil under høj-pH ORR-betingelser. Forskerne fandt dog ud af, at dette modsagde efterfølgende eksperimentelle observationer under alkaliske ORR-forhold.

Yderligere karakteriseringer efter katalyse, elektrokemiske overfladetilstandsanalyser og pH-feltkoblet mikrokinetisk modellering afslørede, at Sb₂ WO₆ overflade gennemgår elektrokemisk passivering under ORR-potentialer og danner en stabil og 4e-ORR aktiv overflade.

Samlet set indikerer undersøgelsens resultater, at selvom datamining lover, er yderligere forfining nødvendig for udbredt anvendelse. "Der skal udvikles en raffineret strategi, der tager højde for den elektrokemi-inducerede overfladestabilitet og aktivitet," understregede Li.

I fremtiden håber forskerne at udforske andre elektrokatalysatorer til oxygenudviklingsreaktionen og hydrogenudviklingsreaktionen ved at kombinere data mining, overfladetilstandsanalyse og aktivitetsanalyse.

Flere oplysninger: Xue Jia et al., Identification Stable Electrocatalysts Initialized by Data Mining:Sb2WO6 for Oxygen Reduction, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202305630

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Tohoku University