Waterelektrolyse is een elektrochemische manier voor de productie van waterstof, die wordt beschouwd als een van de toekomstige energiedragermoleculen. Daarom, kijkend naar tal van voordelen van elektrolyse van protonenuitwisselingsmembraan in vergelijking met de klassieke alkalische variant, de efficiëntie en toepasbaarheid op grote schaal is tegenwoordig van groot belang. Echter, de langzame kinetiek van de anode-zuurstofevolutiereactie (OER) beperkt het algehele elektrolyseproces en vereist een actieve en stabiele elektrokatalysator.

Een dergelijke behoefte inspireerde de wetenschappers van de afdelingen Chemical Metal Science en Physics of Correlated Matter van MPI CPfS samen met het Fritz-Haber-Institut in Berlijn om hun jarenlange expertise in de chemie van intermetallische verbindingen in te zetten, elektronische kenmerken van vaste materie en elektrokatalyse om een ​​stap voorwaarts te zetten in deze uitdagende richting. Als resultaat van vruchtbaar teamwerk, het concept van coöperatieve fasen met verschillende stabiliteiten onder OER-omstandigheden werd met succes aangetoond met de intermetallische verbinding Hf ₂ B ₂ Ir ₅ als zelfoptimaliserende elektrokatalysator voor OER.

Op basis van chemische bindingsanalyse, de intermetallische verbinding Hf ₂ B ₂ Ir ₅ heeft een kooiachtig type van de kristalstructuur:de tweedimensionale lagen van B ₂ Ir ₈ eenheden zijn onderling verbonden door Ir-Ir-interacties met twee en drie centra met polyanionische raamwerken en hafniumatomen zijn te gast in dergelijke anionische kooien. De kenmerken van atomaire interacties worden weerspiegeld in de elektronische structuur van Hf ₂ B ₂ Ir ₅ en zijn chemisch gedrag onder OER-omstandigheden.

De initiële elektrochemische OER-activiteit van Hf ₂ B ₂ Ir ₅ houdt stand tijdens continu bedrijf bij uitgebreide stroomdichtheden van 100 mA cm ^-2 gedurende ten minste 240 uur en positioneert dit materiaal tussen de op Ir gebaseerde ultramoderne elektrokatalysatoren. De zware oxidatieve omstandigheden van OER activeren de oppervlaktebeperkte veranderingen van het ongerepte materiaal en als resultaat is de elektrochemische prestatie gerelateerd aan het samenwerkingswerk van het Ir-getermineerde oppervlak van de ternaire verbinding zelf en agglomeraten van IrO _x (OH) _ja (DUS ₄ )z-deeltjes.

Deze laatste worden voornamelijk gevormd door de oxidatie van de secundaire fase van HfB4Ir3 en oxidatie aan het oppervlak van de onderzochte verbinding. De aanwezigheid van ten minste twee OER-actieve toestanden van Ir, afkomstig uit de Hf ₂ B ₂ Ir ₅ onder OER-voorwaarden, werd bevestigd door de XPS-analyse. De experimentele gegevens (elektrochemische resultaten, materiaalkarakterisering met behulp van bulk- en oppervlaktegevoelige methoden, elementaire analyse van de gebruikte elektrolyt) consistent zijn met de chemische bindingsanalyse. Het geïllustreerde concept van coöperatieve fasen met verschillende chemische stabiliteiten onder OER-omstandigheden kan worden verkend naar andere systemen en biedt een op kennis gebaseerde manier om nieuwe effectieve OER-elektrokatalysatoren te ontdekken.