I dag, vi kan utan skugga av tvivel säga att det behövs ett alternativ till fossila bränslen. Fossila bränslen är inte bara icke-förnybara energikällor utan också bland de främsta orsakerna till global uppvärmning och luftföroreningar. Således, många forskare världen över har sina förhoppningar på vad de betraktar som morgondagens bränsle:väte (H ₂ ). Även om H ₂ är ett rent bränsle med otroligt hög energitäthet, att effektivt generera stora mängder av det är fortfarande en svår teknisk utmaning.

Vattenklyvning - brytning av vattenmolekyler - är bland de mest utforskade metoderna för att producera H ₂ . Även om det finns många sätt att gå tillväga, de bäst presterande vattenklyvningsteknikerna involverar elektrokatalysatorer gjorda av dyra metaller, som platina, rutenium, och iridium. Problemet ligger i att kända elektrokatalysatorer gjorda av rikliga metaller är ganska ineffektiva vid syreutvecklingsreaktionen (OER), den mest utmanande aspekten av vattenklyvningsprocessen.

I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Applied Energy Materials , ett team av forskare vid Tokyo Institute of Technology, Japan, hittade en anmärkningsvärd elektrokatalysatorkandidat för kostnadseffektiv vattenklyvning:kalciumjärnoxid (CaFe ₂ O ₄ ). Medan järn (Fe) oxider är mediokra vid OER, tidigare studier hade noterat att kombinationen av det med andra metaller kan öka deras prestanda till faktiskt användbara nivåer. Dock, som biträdande professor och huvudförfattare Dr. Yuuki Sugawara kommenterar, ingen hade fokuserat på CaFe ₂ O ₄ som en potentiell OER-elektrokatalysator. "Vi ville avslöja potentialen hos CaFe ₂ O ₄ och förtydliga, genom jämförelser med andra järnbaserade bimetalloxider, avgörande faktorer som främjar dess OER-aktivitet, " han förklarar.

För detta ändamål, teamet testade sex sorters järnbaserade oxider, inklusive CaFe ₂ O ₄ . De fann snart att OER prestanda för CaFe ₂ O ₄ var mycket större än den för andra bimetalliska elektrokatalysatorer och till och med högre än den för iridiumoxid, ett allmänt accepterat riktmärke. Dessutom, de testade hållbarheten hos detta lovande material och fann att det var anmärkningsvärt stabilt; inga signifikanta strukturella eller sammansättningsförändringar sågs efter mätcykler, och föreställningen av CaFe ₂ O ₄ elektroden i den elektrokemiska cellen förblev hög.

Ivriga att förstå orsaken bakom de exceptionella egenskaperna hos denna outforskade elektrokatalysator, forskarna utförde beräkningar med densitetsfunktionsteori och upptäckte en okonventionell katalytisk mekanism. Det verkar som att CaFe ₂ O ₄ erbjuder en energetiskt gynnsam väg för bildandet av syrebindningar, vilket är ett begränsande steg i OER. Även om mer teoretiska beräkningar och experiment kommer att behövas för att vara säker, resultaten tyder på att det nära avståndet mellan flera järnplatser spelar en nyckelroll.

Den nyupptäckta OER-elektrokatalysatorn kan säkert vara en spelförändring, som Dr Sugawara anmärker, "Kafé ₂ O ₄ har många fördelar, från dess enkla och kostnadseffektiva syntes till dess miljövänlighet. Vi förväntar oss att det kommer att vara en lovande OER-elektrokatalysator för vattenuppdelning och att den kommer att öppna upp en ny väg för utveckling av energiomvandlingsanordningar." den nya OER-förstärkningsmekanismen som finns i CaFe ₂ O ₄ kan leda till konstruktion av andra användbara katalysatorer.