Atom- och kristallstrukturer av de kristallina iridiumoxiderna. en R-IrO2 av Rutil-typ . b Hollandite-typ Ho-IrO2 . c K-interkalerad hollandit-typ 1K + Ho-IrO2 . d Ro-IrO2 av romanekittyp . e K-interkalerad romanekit-typ 2K + Ro-IrO2 . f Todorokite-typ To-IrO2 . g K-interkalerad todorokite-typ 4K + To-IrO2 . h Korundbaserad C-IrO1.5 . i bixbyite-baserad B-IrO1.5 . j R3cR-IrO3 . k P63 22 P-IrO3 . Iridium-, syre- och kaliumatomerna avbildas som grå, röda respektive blå sfärer, medan oktaedrarna i IrO6 är skuggad i grått. Bulkenhetscellen representeras av linjerna i orange. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30838-y
Sydkoreansk-baserade forskare har använt kvantmekaniska simuleringar med de första principerna för att bättre förstå struktur-egenskapsrelationerna i olika polymorfa faser av iridiumoxider för att belysa deras enastående prestanda när det gäller att katalysera syreutvecklingsreaktionen (OER). OER är en viktig halvcellsreaktion där vatten delas katalytiskt för att utveckla syre. Men på grund av den inneboende tröga kinetiken hos OER leder detta till en generellt dålig katalytisk prestanda.
De senaste rönen från beräkningsmaterialforskaren, professor Aloysius Soon och hans team från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Yonsei University, visar nya fysiokemiska insikter om hur icke-likvärdiga anslutningar i de amorfa strukturerna kraftigt förbättrar flexibiliteten i laddningstillstånden för iridiumkatjonerna. och främjar därför närvaron av elektrofila syre i dem, jämfört med deras kristallina motsvarigheter. Som professor Soon skriver i Nature Communications :"En grundläggande förståelse i atomär skala av högpresterande nanoporinnehållande amorfa oxider av iridium saknas fortfarande mycket. Och det hindrar i hög grad upprättandet av en designregel för ytterligare prestandaförbättring."
"Denna beräkningsstudie av experimentellt rapporterade (men mindre studerade) metastabila nanoporösa och amorfa iridiumoxider ger ny fysisk insikt i förhållandet struktur-egenskap för att förklara och förena den överlägsna OER-prestandan hos substökiometriska amorfa iridiumoxider. Detta öppnar potentiellt dörrar för smidig design av iridiumbaserade OER-katalysatorer för modern ren energiteknik", tillägger han.
Trots vikten av att ha ett fast grepp om komplexa struktur-egenskapsförhållanden i avancerade material, finns det fortfarande begränsad förståelse för intuitiva modeller i atomskala för amorfa oxider för ren energiteknik.
"För att förbättra den långsiktiga effektiviteten av den anodiska OER har sökandet efter aktiva, selektiva och stabila elektrokatalysatorer ökat, och bland dem är oxider (och oxihydroxider) av iridium och rutenium kända för sin enastående stabilitet och reaktivitet i sura miljöer", framhåller professor Soon. "Ett lovande sätt att ställa in och konstruera struktur-egenskapsrelationerna för dessa oxidkatalysatorer är att kontrollera deras stökiometri och polymorfa fas på atomnivå."
För första gången har systematiska beräkningar av densitetsfunktionella teorier utförts för att undersöka struktur-egenskapsrelationer för nanoporösa och amorfa iridiumoxider för att förena den överlägsna katalytiska syreutvecklingsreaktionens katalytiska prestanda som rapporterats i tidigare experiment för att underlätta en bättre design av nästa generations OER katalysatorer.
"Denna studie öppnar potentiellt dörrar för smidig design av nya iridiumbaserade OER-katalysatorer med hög effektivitet för modern ren energiteknik", avslutar professor Soon. + Utforska vidare
