In de zoektocht naar zeer actieve en goedkope elektrokatalysatoren, twee reacties vormen een bijzondere uitdaging:de zuurstofreductiereactie (ORR) en de zuurstofevolutiereactie (OER). Beide zijn belangrijk voor de ontwikkeling van betere brandstofcellen, metaal-lucht batterijen, en elektrolytische watersplitsing. Materialen zoals platina, iridiumoxide en rutheniumoxide zijn zeer geschikt voor deze reacties, maar ze zijn schaars en duur.

Onder leiding van Pacific Northwest National Laboratory-wetenschapper Yingge Du, een team van onderzoekers evalueert alternatieven. Ze werken samen om perovskiet-gestructureerde zeldzame aardnikkelaten (RNiO ₃ ) die kunnen dienen als bifunctionele katalysatoren die zowel OER als ORR kunnen uitvoeren.

"Het is van groot wetenschappelijk en technologisch belang om de ORR- en OER-activiteiten van het nauw verwante RNiO . te onderzoeken ₃ familie, zodat een relatie tussen structuur, eigendom en prestatie kan worden opgebouwd, "zei Du. "Hierdoor kan een bifunctionele katalysator worden verkregen die edele metalen kan vervangen."

Onlangs, Du en zijn team voerden prestatietests uit op een set goed gedefinieerde RNiO ₃ epitaxiale dunne films en ontdekte welke eigenschappen bijdragen aan een hogere elektrokatalytische activiteit. Door de zeldzame aardelementen (R) af te stemmen, wetenschappers correleerden de structurele en fysische eigenschappen van verschillende nikkelaten met hun ORR- en OER-activiteiten.

"We ontdekten dat het afstemmen van zeldzame aardelementen een effectieve strategie is voor het balanceren van ORR- en OER-activiteiten van bifunctionele elektrokatalysatoren, " merkte Du op.

hun studie, "Het afstemmen van bifunctionele zuurstofelektrokatalysatoren door het veranderen van het zeldzame-aarde-element op de A-locatie in perovskiet-nickelaten is onlangs gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

Het ontwerpen van krachtige bifunctionele elektrokatalysatoren vereist een strategisch evenwicht tussen OER en ORR. Door deze activiteiten te onderzoeken in het nauw verwante RNiO ₃ familie, wetenschappers kunnen relaties tussen structuur, eigenschappen en prestaties vaststellen - een gebied dat nog niet systematisch is onderzocht. Deze fundamentele inzichten kunnen worden gebruikt om beter, goedkopere katalysatoren om deze kritische zuurstofreacties uit te voeren.

Du en zijn onderzoeksteam onderzochten een reeks dunne-aarde nikkelaat dunne films gekweekt op SrTiO ₃ (001) door gepulseerde laserafzetting, waarbij R-variaties lanthaan (La) omvatten, neodymium (Nd), samarium (Sm), en gadolinium (Gd).

Het bleek dat het verminderen van de ionische straal van R (r _La > R _Nd > R _sm > R _Gd ) zou leiden tot een afname van de elektronische geleidbaarheid van de resulterende films, die de ORR op een negatieve manier beïnvloedt. Anderzijds, de OER-activiteit nam aanvankelijk toe bij vervanging van La door kleinere ionen, zoals Nd of mengsels van Nd en Sm. Het verminderen van de straal van R bleek de gemiddelde bezetting van de antibinding, bijvoorbeeld orbitaal, te verhogen door de vorming van zuurstofvacatures, een aandoening waarvan bekend is dat deze de OER-activiteit verbetert.

Het werk laat zien dat hoewel de OER en ORR niet tegelijkertijd in RNiO . kunnen worden verbeterd, ₃ , het toekomstige ontwerp van dergelijke bifunctionele elektrokatalysatoren moet profiteren van strategische afwegingen, vooral gezien de trage kinetiek van de OER de belangrijkste oorzaak is van energieverlies voor veel apparaten voor energieopslag bij lage temperaturen.

De onderzoekers blijven de impact van belasting en doping op de fysieke, chemisch, en ion-transport eigenschappen van RNiO ₃ .