För att skapa bättre batterier och bränsleceller, forskare måste få syremolekyler att vinna och förlora elektroner effektivt. Reaktionerna är frustrerande tröga. För att påskynda reaktionerna krävs värme och platina, som är dyra. Nu, forskare avslöjade viktiga designprinciper för att konstruera katalysatorer som använder mer lättillgängliga metaller och mindre värme. Katalysatorerna presterade bra och var stabila på lång sikt.

Forskare har letat efter bättre katalysatorer för elektroder i bränsleceller och batterier. Dessa katalysatorer driver reaktioner som förflyttar elektroner till och från syre (känd som syreelektrokatalys). Dock, att skapa sådana katalysatorer har varit svårt. Varför? Forskare använde försök-och-fel-metoder. De behövde de underliggande designprinciperna. Med denna information i handen, forskare kan bättre undvika återvändsgränder och arbeta med de mest lovande alternativen.

Skapa effektiva metall-luftbatterier, bränsleceller, och andra energiomvandlings- och lagringssystem beror på, till viss del, om hur snabbt syremolekyler får och förlorar elektroner. För att göra dessa system kommersiellt gångbara, de behöver katalysatorer som är billiga, aktiva, selektiv, och stabil. Forskare har undersökt lovande katalysatorer gjorda av olika förhållanden av billigare metaller. Specifikt, dessa katalysatorer är skiktade, blandade jon-elektroniska ledande oxider.

Forskarna visade att en beräknad deskriptor, hur tätt syre binder till en plats där en syreatom saknas på katalysatorns yta, kan identifiera de mest lovande strukturerna. Teamet testade hur väl denna deskriptor förutspådde katalytisk prestanda genom att syntetisera, karakteriserande, och testa katalysatorer med olika deskriptorvärden. De fann att stavar i nanostorlek gjord av koboltdopad lantan-nickelatoxid fungerade bra i bränsleceller i fasta oxid vid cirka 1000 grader Fahrenheit och var stabila på lång sikt. Teamets resultat visar effektiviteten hos designprinciperna. Ytterligare, arbetet belyser potentialen för den nya katalysatorn och bör gynna konstruktionsinsatser för bränsleceller och batterier.