Prestazioni OER del materiale anodico Hf2B2Ir5, rappresentato da voltammogrammi a scansione lineare misurati durante l'esperimento di cronopotenziometria a lungo termine (0,1 M H2SO4, j =100 mA cm-2, t =0 ... 240 h). Riquadro:morfologia del materiale Hf2B2Ir5 in seguito. Credito:© MPI CPfS
L'elettrolisi dell'acqua è un modo elettrochimico per la produzione di idrogeno, che è considerata una delle future molecole portatrici di energia. Perciò, esaminando numerosi vantaggi dell'elettrolisi a membrana a scambio protonico rispetto alla variante alcalina classica, la sua efficienza e applicabilità su larga scala è di enorme importanza al giorno d'oggi. Però, la cinetica lenta della reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico (OER) limita il processo di elettrolisi complessivo e richiede un elettrocatalizzatore attivo e stabile.
Tale esigenza ha ispirato gli scienziati dei dipartimenti di scienze chimiche dei metalli e di fisica delle materie correlate dell'MPI CPfS insieme al Fritz-Haber-Institut di Berlino a impiegare la loro esperienza di lunga data nella chimica dei composti intermetallici, caratteristiche elettroniche della materia solida e dell'elettrocatalisi per fare un passo avanti in questa impegnativa direzione. Grazie a un proficuo lavoro di squadra, il concetto di fasi cooperative con stabilità diverse in condizioni OER è stato dimostrato con successo con il composto intermetallico Hf 2 B 2 Ir 5 come elettrocatalizzatore auto-ottimizzante per OER.
Sulla base dell'analisi del legame chimico, il composto intermetallico Hf 2 B 2 Ir 5 ha un tipo a gabbia della struttura cristallina:gli strati bidimensionali di B 2 Ir 8 le unità sono interconnesse da interazioni Ir-Ir a due e tre centri alla struttura polianionica e gli atomi di afnio sono ospiti in tali gabbie anioniche. Le caratteristiche delle interazioni atomiche si riflettono nella struttura elettronica di Hf 2 B 2 Ir 5 e il suo comportamento chimico in condizioni OER.
Livelli fondamentali Ir 4f in materiale Hf2B2Ir5:stato originario (nero) e dopo 240 h di cronopotenziometria a densità di corrente 100 mA cm-2 (rosa). Le linee di riferimento sono tracciate per Ir 4f in intermetallico Hf2B2Ir5 (tratteggiato nero), Ir elementare (tratteggiato in grigio) e IrO2 rutilo (tratteggiato in rosso). Credito:© MPI CPfS
L'attività OER elettrochimica iniziale di Hf 2 B 2 Ir 5 sostiene durante il funzionamento continuo a densità di corrente elaborate di 100 mA cm -2 per almeno 240 ore e posiziona questo materiale tra gli elettrocatalizzatori a base di Ir all'avanguardia. Le dure condizioni ossidative di OER attivano i cambiamenti superficiali limitati del materiale incontaminato e di conseguenza le prestazioni elettrochimiche sono legate al lavoro cooperativo della superficie Ir-terminata del composto ternario stesso e degli agglomerati di IrO X (OH) sì (COSÌ 4 )z particelle.
Questi ultimi si formano principalmente a causa dell'ossidazione della fase secondaria HfB4Ir3 e dell'ossidazione in prossimità della superficie del composto investigato. La presenza di almeno due stati OER-attivi di Ir, originato dall'Hf 2 B 2 Ir 5 in condizioni OER, è stato confermato dall'analisi XPS. I dati sperimentali (risultati elettrochimici, caratterizzazione del materiale mediante metodi bulk e surface-sensitive, analisi elementare dell'elettrolita utilizzato) sono coerenti con l'analisi del legame chimico. Il concetto illustrato di fasi cooperative con diverse stabilità chimiche in condizioni OER può essere esplorato in altri sistemi e offre un modo prospettico basato sulla conoscenza per la scoperta di nuovi elettrocatalizzatori OER efficaci.
