En framtid med ren energi som drivs av vätebränsle beror på att ta reda på hur man på ett tillförlitligt och effektivt sätt kan dela upp vatten. Det är för att, även om väte är rikligt, det måste härledas från ett annat ämne som innehåller det - och idag, det ämnet är ofta metangas. Forskare söker sätt att isolera detta energibärande element utan att använda fossila bränslen. Det skulle bana väg för vätedrivna bilar, till exempel, som bara avger vatten och varm luft vid utloppsröret.

Vatten, eller H2O, förenar väte och syre. Väteatomer i form av molekylärt väte måste separeras från denna förening. Den processen beror på ett viktigt - men ofta långsamt - steg:syreutvecklingsreaktionen (OER). OER är det som frigör molekylärt syre från vatten, och att kontrollera denna reaktion är viktigt inte bara för väteproduktion utan för en mängd olika kemiska processer, inklusive de som finns i batterier.

En studie som leds av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory belyser en formförändrande kvalitet i perovskitoxider, en lovande typ av material för att påskynda OER. Perovskitoxider omfattar en rad föreningar som alla har en liknande kristallin struktur. De innehåller vanligtvis en jordalkalimetall eller lantanider som La och Sr på A-platsen, och en övergångsmetall som Co på B-platsen, kombinerat med syre i formeln ABO3. Forskningen ger insikt som kan användas för att designa nya material, inte bara för att tillverka förnybara bränslen utan också för att lagra energi.

Perovskitoxider kan åstadkomma OER, och de är billigare än ädelmetaller som iridium eller rutenium som också gör jobbet. Men perovskitoxider är inte lika aktiva (med andra ord, effektiv för att accelerera OER) som dessa metaller, och de tenderar att sakta försämras.

"Att förstå hur dessa material kan vara aktiva och stabila var en stor drivkraft för oss, "sa Pietro Papa Lopes, en biträdande forskare i Argonnes materialvetenskapsavdelning som ledde studien. "Vi ville utforska förhållandet mellan dessa två fastigheter och hur det ansluter till egenskaperna hos perovskiten själv."

Tidigare forskning har fokuserat på bulkegenskaperna för perovskitmaterial och hur dessa relaterar till OER -verksamheten. Forskarna undrade, dock, om det fanns mer i historien. Trots allt, ytan på ett material, där den reagerar med sin omgivning, kan vara helt annorlunda än resten. Exempel som detta finns överallt i naturen:tänk på en halverad avokado som snabbt blir brun där den möter luften men förblir grön inuti. För perovskitmaterial, en yta som blir annorlunda än massan kan ha viktiga konsekvenser för hur vi förstår deras egenskaper.

I vattenelektrolysatorsystem, som delar vatten i väte och syre, perovskitoxider interagerar med en elektrolyt av vatten och speciella saltarter, skapa ett gränssnitt som gör att enheten kan fungera. När elektrisk ström appliceras, det gränssnittet är avgörande för att sätta igång vattensplittringsprocessen. "Materialets yta är den viktigaste aspekten av hur syreutvecklingsreaktionen kommer att fortsätta:Hur mycket spänning behöver du, och hur mycket syre och väte du kommer att producera, "Sa Lopes.

Perovskitoxidens yta skiljer sig inte bara från resten av materialet, det förändras också med tiden. "När det väl är i ett elektrokemiskt system, perovskitytan utvecklas och förvandlas till en tunn, amorf film, "Sa Lopes." Det är aldrig riktigt detsamma som materialet du börjar med. "

Forskarna kombinerade teoretiska beräkningar och experiment för att avgöra hur ytan på ett perovskitmaterial utvecklas under OER. För att göra det med precision, de studerade lantankobaltoxidperovskit och stämde det genom att "dopa" lantanet med strontium, en mer reaktiv metall. Ju mer strontium tillsattes till det ursprungliga materialet, ju snabbare dess yta utvecklades och blev aktiv för OER - en process som forskarna kunde observera vid atomupplösning med transmissionselektronmikroskopi. Forskarna fann att strontiumupplösning och syreförlust från perovskiten drev bildandet av detta amorfa ytskikt, vilket förklarades ytterligare av beräkningsmodellering utförd med hjälp av Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility.

"Den sista saknade delen för att förstå varför perovskiterna var aktiva mot OER var att utforska rollen av små mängder järn som finns i elektrolyten, "Lopes sa. Samma grupp forskare upptäckte nyligen att spår av järn kan förbättra OER på andra amorfa oxidytor. När de väl fastställt att en perovskityta utvecklas till en amorf oxid, då blev det klart varför järn var så viktigt.

"Beräkningsstudier hjälper forskare att förstå reaktionsmekanismer som involverar både perovskitytan och elektrolyten, "sa Peter Zapol, en fysiker vid Argonne och studerar medförfattare. "Vi fokuserade på reaktionsmekanismer som driver både aktivitet och stabilitetstrender i perovskitmaterial. Detta görs vanligtvis inte i beräkningsstudier, som tenderar att fokusera enbart på reaktionsmekanismerna som är ansvariga för aktiviteten. "

Studien fann att perovskitoxidens yta utvecklades till en koboltrik amorf film som bara var några nanometer tjock. När järn fanns i elektrolyten, järnet hjälpte till att accelerera OER, medan den koboltrika filmen hade en stabiliserande effekt på järnet, hålla den aktiv vid ytan.

Resultaten tyder på nya potentiella strategier för att designa perovskitmaterial-man kan tänka sig att skapa ett tvåskiktssystem, Lopes sa, som är ännu mer stabil och kan främja OER.

"OER är en del av så många processer, så tillämpningen här är ganska bred, "Lopes sa." Att förstå materialens dynamik och deras effekt på ytprocesserna är hur vi kan göra energiomvandlings- och lagringssystem bättre, mer effektivt och prisvärt. "

Studien beskrivs i ett papper publicerat och markerat på omslaget till Journal of the American Chemical Society , "Dynamiskt stabila aktiva platser från ytutveckling av perovskitmaterial under syreutvecklingen."