Vandaag, we kunnen zonder enige twijfel zeggen dat er een alternatief voor fossiele brandstoffen nodig is. Fossiele brandstoffen zijn niet alleen niet-hernieuwbare energiebronnen, maar ook een van de belangrijkste oorzaken van de opwarming van de aarde en luchtvervuiling. Dus, veel wetenschappers wereldwijd hebben hun hoop gevestigd op wat zij beschouwen als de brandstof van morgen:waterstof (H ₂ ). hoewel H ₂ is een schone brandstof met een ongelooflijk hoge energiedichtheid, het efficiënt genereren van grote hoeveelheden ervan blijft een moeilijke technische uitdaging.

Watersplitsing - het breken van watermoleculen - is een van de meest onderzochte methoden om H . te produceren ₂ . Hoewel er veel manieren zijn om dit aan te pakken, de best presterende technieken voor het splitsen van water zijn elektrokatalysatoren gemaakt van dure metalen, zoals platina, ruthenium, en iridium. Het probleem ligt in het feit dat bekende elektrokatalysatoren gemaakt van overvloedige metalen nogal ondoeltreffend zijn bij de zuurstofontwikkelingsreactie (OER), het meest uitdagende aspect van het watersplitsingsproces.

In een recente studie gepubliceerd in ACS toegepaste energiematerialen , een team van wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, Japan, vond een opmerkelijke elektrokatalysatorkandidaat voor kosteneffectieve watersplitsing:calciumijzeroxide (CaFe ₂ O ₄ ). Waar ijzer(Fe)oxiden matig zijn op de OER, eerdere studies hadden opgemerkt dat het combineren van het met andere metalen hun prestaties tot daadwerkelijk bruikbare niveaus zou kunnen verhogen. Echter, zoals assistent-professor en hoofdauteur Dr. Yuuki Sugawara opmerkt, niemand had zich op CaFe . gericht ₂ O ₄ als potentiële OER-elektrokatalysator. "We wilden het potentieel van CaFe . onthullen ₂ O ₄ en verduidelijken, door vergelijkingen met andere op ijzer gebaseerde bimetaaloxiden, cruciale factoren die de OER-activiteit bevorderen, " hij legt uit.

Hiertoe, het team testte zes soorten ijzeroxiden, inclusief CaFe ₂ O ₄ . Ze ontdekten al snel dat de OER-prestaties van CaFe ₂ O ₄ veel groter was dan die van andere bimetaalelektrokatalysatoren en zelfs hoger dan die van iridiumoxide, een algemeen aanvaarde maatstaf. Aanvullend, ze testten de duurzaamheid van dit veelbelovende materiaal en ontdekten dat het opmerkelijk stabiel was; er werden geen significante structurele of samenstellingsveranderingen waargenomen na meetcycli, en de prestaties van de CaFe ₂ O ₄ elektrode in de elektrochemische cel bleef hoog.

Begerig om de reden achter de uitzonderlijke mogelijkheden van deze onontgonnen elektrokatalysator te begrijpen, de wetenschappers voerden berekeningen uit met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie en ontdekten een onconventioneel katalytisch mechanisme. Het lijkt erop dat CaFe ₂ O ₄ biedt een energetisch gunstige route voor de vorming van zuurstofbindingen, wat een beperkende stap is in de OER. Hoewel er meer theoretische berekeningen en experimenten nodig zullen zijn om zeker te zijn, de resultaten geven aan dat de korte afstand tussen meerdere ijzerplaatsen een sleutelrol speelt.

De nieuw ontdekte OER-elektrokatalysator zou zeker een game-changer kunnen zijn, zoals Dr. Sugawara opmerkt, "Cafe ₂ O ₄ heeft veel voordelen, van de gemakkelijke en kosteneffectieve synthese tot de milieuvriendelijkheid. We verwachten dat het een veelbelovende OER-elektrokatalysator voor watersplitsing zal zijn en dat het een nieuwe weg zal openen voor de ontwikkeling van apparaten voor energieconversie." het nieuwe OER-stimuleringsmechanisme in CaFe ₂ O ₄ zou kunnen leiden tot de engineering van andere bruikbare katalysatoren.