Gli elettrocatalizzatori di ossigeno bifunzionali della perovskite nichelata RNiO3 possono essere sintonizzati modificando gli elementi delle terre rare. Usando un insieme ben definito, RNiO3 epitassiale (R =La, La0.5Nd0.5, Ns, Nd0.5Sm0.5, cmq, e Gd) film sottili, i ricercatori hanno dimostrato che la diminuzione del raggio ionico di R è vantaggiosa per l'OER ma non per l'ORR, rivelando che un compromesso strategico può essere progettato per bilanciare le loro prestazioni. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
Nella ricerca di elettrocatalizzatori altamente attivi ed economici, due reazioni pongono una sfida particolare:la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Entrambi sono importanti per lo sviluppo di celle a combustibile migliori, batterie metallo-aria, e scissione elettrolitica dell'acqua. Materiali come platino, l'ossido di iridio e l'ossido di rutenio sono adatti per queste reazioni, ma sono scarse e costose.
Guidato dallo scienziato del Pacific Northwest National Laboratory Yingge Du, un team di ricercatori sta valutando alternative. Stanno lavorando insieme per studiare i nickelati delle terre rare con struttura in perovskite (RNiO 3 ) che possono fungere da catalizzatori bifunzionali in grado di eseguire sia OER che ORR.
"È di grande interesse scientifico e tecnologico esaminare le attività ORR e OER del strettamente correlato RNiO 3 famiglia in modo da poter instaurare un rapporto struttura-proprietà-prestazioni, " ha detto Du. "In questo modo si può produrre un catalizzatore bifunzionale che può sostituire i metalli nobili".
Recentemente, Du e il suo team hanno condotto test delle prestazioni su una serie di RNiO . ben definiti 3 film sottili epitassiali e hanno scoperto quali proprietà contribuiscono a una maggiore attività elettrocatalitica. Sintonizzando gli elementi delle terre rare (R), gli scienziati hanno correlato le proprietà strutturali e fisiche di vari nichelati con le loro attività ORR e OER.
"Abbiamo scoperto che la messa a punto degli elementi delle terre rare è una strategia efficace per bilanciare le attività ORR e OER degli elettrocatalizzatori bifunzionali, " ha osservato Du.
Il loro studio, "L'ottimizzazione degli elettrocatalizzatori di ossigeno bifunzionali modificando l'elemento di terre rare del sito A nei nichel perovskite è stato recentemente pubblicato in Materiali funzionali avanzati .
La progettazione di elettrocatalizzatori bifunzionali ad alte prestazioni richiede il bilanciamento strategico di OER e ORR. Esaminando queste attività nel strettamente correlato RNiO 3 famiglia, gli scienziati possono stabilire relazioni struttura-proprietà-prestazioni, un'area che non è stata ancora esplorata sistematicamente. Queste intuizioni fondamentali possono essere utilizzate per progettare meglio, catalizzatori a basso costo per eseguire queste reazioni critiche dell'ossigeno.
Du e il suo team di ricerca hanno studiato una serie di film sottili di nichel di terre rare cresciuti su SrTiO 3 (001) mediante deposizione laser pulsata, dove le variazioni di R includono il lantanio (La), neodimio (Nd), samario (Sm), e gadolinio (Gd).
Si è scoperto che diminuendo il raggio ionico di R (r La > R Ns > R Sm > R Gd ) comporterebbe una diminuzione della conduttività elettronica dei film risultanti, che incide negativamente sull'ORR. D'altra parte, l'attività OER inizialmente è aumentata sostituendo La con ioni più piccoli, come Nd o miscele di Nd e Sm. È stato dimostrato che la riduzione del raggio di R aumenta l'occupazione media dell'antilegame, ad esempio orbitale attraverso la formazione di vacanze di ossigeno, una condizione nota per migliorare l'attività dell'OER.
Il lavoro mostra che anche se l'OER e l'ORR non possono essere potenziati contemporaneamente in RNiO 3 , la progettazione futura di tali elettrocatalizzatori bifunzionali dovrebbe beneficiare di compromessi strategici, soprattutto considerando che la cinetica lenta dell'OER è la principale causa di perdita di energia per molti dispositivi di accumulo di energia a bassa temperatura.
I ricercatori stanno continuando a studiare l'impatto della deformazione e del doping sul fisico, chimico, e proprietà di trasporto ionico di RNiO 3 .
