Bifunktionella syreelektrokatalysatorer av perovskitnickelater RNiO3 kan ställas in genom att ändra sällsynta jordartsmetaller. Med hjälp av en uppsättning väldefinierade, epitaxiell RNiO3 (R =La, La0.5Nd0.5, Nd, Nd0.5Sm0.5, Sm, och Gd) tunna filmer, forskare visade att en minskning av jonradien för R är fördelaktigt för OER men inte för ORR, avslöjar att en strategisk kompromiss kan utformas för att balansera deras prestationer. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
I sökandet efter mycket aktiva och billiga elektrokatalysatorer, två reaktioner utgör en särskild utmaning:syrereduktionsreaktionen (ORR) och syreutvecklingsreaktionen (OER). Båda är viktiga för utvecklingen av bättre bränsleceller, metall-luft-batterier, och elektrolytisk vattenuppdelning. Material som platina, iridiumoxid och ruteniumoxid är väl lämpade för dessa reaktioner, men de är knappa och dyra.
Leds av Pacific Northwest National Laboratory-forskaren Yingge Du, ett team av forskare utvärderar alternativ. De arbetar tillsammans för att studera perovskitstrukturerade sällsynta jordartsmetaller nickelater (RNiO 3 ) som kan fungera som bifunktionella katalysatorer som kan utföra både OER och ORR.
"Det är av stort vetenskapligt och tekniskt intresse att undersöka ORR- och OER-aktiviteterna för den närbesläktade RNiO 3 familj så att en struktur-fastighet-prestanda relation kan etableras, "Sade Du. "Att göra det kan ge en bifunktionell katalysator som kan ersätta ädelmetaller."
Nyligen, Du och hans team genomförde prestationstester på en uppsättning väldefinierade RNiO 3 epitaxiella tunna filmer och upptäckte vilka egenskaper som bidrar till högre elektrokatalytisk aktivitet. Genom att ställa in de sällsynta jordartsmetallerna (R), forskare korrelerade de strukturella och fysikaliska egenskaperna hos olika nickelater med deras ORR- och OER-aktiviteter.
"Vi fann att inställning av de sällsynta jordartsmetallerna är en effektiv strategi för att balansera ORR- och OER-aktiviteter för bifunktionella elektrokatalysatorer, " anmärkte Du.
Deras studie, "Tuning bifunctional oxygen Electrocatalysts by Changing A-site Rare-earth Element in perovskite nickelates publicerades nyligen i Avancerade funktionella material .
Att designa högpresterande bifunktionella elektrokatalysatorer kräver en strategisk balansering av OER och ORR. Genom att undersöka dessa aktiviteter i det närbesläktade RNiO 3 familj, forskare kan etablera relationer mellan struktur och egenskap – ett område som ännu inte systematiskt utforskats. Dessa grundläggande insikter kan användas för att designa bättre, billigare katalysatorer för att utföra dessa kritiska syrereaktioner.
Du och hans forskargrupp undersökte en serie tunna filmer av sällsynt jordartsmetall nickelat odlade på SrTiO 3 (001) genom pulsad laseravsättning, där R-variationer inkluderar lantan (La), neodym (Nd), samarium (Sm), och gadolinium (Gd).
Det visade sig att en minskning av jonradien för R (r La > r Nd > r Sm > r Gd ) skulle leda till en minskning av den elektroniska konduktiviteten hos de resulterande filmerna, vilket påverkar ORR på ett negativt sätt. Å andra sidan, OER-aktiviteten ökade initialt när La ersattes med mindre joner, såsom Nd eller blandningar av Nd och Sm. Att minska radien för R visade sig öka den genomsnittliga beläggningen av antibindningen, t.ex. orbital genom bildandet av syrevakanser, ett tillstånd som är känt för att förbättra OER-aktiviteten.
Arbetet visar att även om OER och ORR inte kan förbättras samtidigt i RNiO 3 , den framtida utformningen av sådana bifunktionella elektrokatalysatorer bör dra fördel av strategiska avvägningar, speciellt med tanke på den långsamma kinetiken hos OER är den främsta orsaken till energiförlust för många lågtemperaturenergilagringsenheter.
Forskarna fortsätter att undersöka effekten av belastning och dopning på det fysiska, kemisk, och jontransportegenskaper hos RNiO 3 .
