Een onderzoeksgroep heeft gerapporteerd over een nieuwe methode om het elektrochemische oppervlak (ECSA) in een met calcium gedoteerde perovskiet, La_0.6, te vergroten Ca_0,4 MnO₃ (LCMO64), waardoor een gemeenschappelijk knelpunt bij de toepassing van perovskietoxiden als elektrokatalysatoren in waterstofbrandstofcellen wordt overwonnen.

Details van de bevindingen zijn gerapporteerd in het tijdschrift Advanced Materials op 29 november 2023.

Perovskietoxiden vertonen interessante en uiteenlopende eigenschappen, waardoor ze waardevol zijn in verschillende technologische toepassingen. Hun hoge intrinsieke activiteiten positioneren ze ook als een veelbelovend alternatief voor edelmetaalkatalysatoren voor het efficiënt katalyseren van de zuurstofreductiereactie (ORR). De toepassing ervan wordt echter nog steeds belemmerd door hun slechte elektrische geleidbaarheid en hun lage specifieke oppervlak.

"Ons elektrochemisch geïnduceerde calciumuitloogproces verhoogde de ECSA in LCMO64 enorm", zegt Hao Li, universitair hoofddocent aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van Tohoku University en corresponderende auteur van het artikel. "De geactiveerde, calciumarme LCMO64 vertoonde een ECSA die ongeveer 33,84% hoger was dan die van niet-geactiveerde materialen, wat superieure elektrokatalytische ORR-prestaties demonstreerde - waarmee de commerciële Pt/C-katalysator in een alkalische oplossing werd overtroffen."

Om de benchmarks van het materiaal te testen, voerden Li en zijn collega's theoretische analyses uit, samen met elektrochemisch onderzoek van de oppervlaktetoestand en pH-afhankelijke microkinetische modellering. De resultaten suggereerden dat deze katalysator het Sabatier-optimum van alkalische ORR bereikt.

Dit onderzoek markeert de eerste keer dat een strategie waarbij calcium (Ca) -doping betrokken is, wordt toegepast om de uitdagingen te overwinnen die verband houden met de lage geleidbaarheid en het lage oppervlak van perovskietoxiden. Het unieke fenomeen van Ca-uitloging, waargenomen onder ORR-omstandigheden, resulteert in een hogere oppervlakteruwheid, waardoor het beschikbare oppervlak voor ORR aanzienlijk wordt vergroot en daardoor de prestaties van de katalysator worden verbeterd.

"Het vinden van goedkope en effectieve elektrokatalysatoren voor de ORR in waterstofbrandstofcellen was een aanzienlijke uitdaging", voegt Li toe. "Ons werk richt zich niet alleen op deze uitdaging, maar biedt ook een nieuwe strategie voor het verbeteren van de elektrokatalytische prestaties van perovskietoxiden. Deze doorbraak heeft verstrekkende gevolgen voor de wijdverbreide toepassing van waterstofbrandstofceltechnologie."

Meer informatie: Qun Li et al, Kation-deficiënte perovskieten verbeteren de elektrokatalytische activiteit voor zuurstofreductiereactie aanzienlijk, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202309266

Aangeboden door Tohoku Universiteit