Strutture atomiche e cristalline degli ossidi di iridio cristallino. un R-IrO2 di tipo rutilo . b Ho-IrO2 di tipo Hollandite . c K-hollandite intercalata di tipo 1K + Ho-IrO2 . d Ro-IrO2 di tipo Romanechite . e K-intercalato romanechite tipo 2K + Ro-IrO2 . f Todorokite-tipo To-IrO2 . g Tipo todorokite intercalato K 4K + To-IrO2 . h C-IrO a base di corindone1.5 . i B-IrO1.5 basato su bixbyite . j R3cR-IrO3 . k P63 22 P-IrO3 . Gli atomi di iridio, ossigeno e potassio sono raffigurati rispettivamente come sfere grigie, rosse e blu, mentre gli ottaedri di IrO6 è sfumato in grigio. La cella dell'unità di massa è rappresentata dalle linee in arancione. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30838-y
I ricercatori sudcoreani hanno utilizzato simulazioni di meccanica quantistica di primi principi per comprendere meglio le relazioni struttura-proprietà in varie fasi polimorfiche degli ossidi di iridio per chiarire le loro eccezionali prestazioni nel catalizzare la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). L'OER è un'importante reazione semicellulare in cui l'acqua viene scissa cataliticamente per far evolvere ossigeno. Tuttavia, a causa della cinetica lenta intrinseca dell'OER, ciò porta a una prestazione catalitica complessivamente scarsa in generale.
Le ultime scoperte dello scienziato dei materiali computazionali, il professor Aloysius Soon e del suo team del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università di Yonsei, dimostrano nuove intuizioni fisico-chimiche su come la connettività non equivalente nelle strutture amorfe migliora fortemente la flessibilità degli stati di carica dei cationi di iridio , e quindi promuove la presenza di ossigeni elettrofili in essi, rispetto alle loro controparti cristalline. Come scrive il Professor Soon in Nature Communications :"Manca ancora una comprensione fondamentale su scala atomica degli ossidi amorfi di iridio ad alte prestazioni contenenti nanopori. E ostacola notevolmente la definizione di una regola di progettazione per un ulteriore miglioramento delle prestazioni."
"Questo studio computazionale sugli ossidi di iridio metastabili e nanoporosi e amorfi riportati sperimentalmente (ma meno studiati) fornisce nuove informazioni fisiche sulla relazione struttura-proprietà per spiegare e riconciliare le prestazioni superiori di OER degli ossidi di iridio amorfi sub-stechiometrici. Questo potenzialmente apre le porte al progettazione agile di catalizzatori OER a base di iridio per le moderne tecnologie di energia pulita", aggiunge.
Nonostante l'importanza di avere una solida conoscenza della complessa relazione struttura-proprietà nei materiali avanzati, la comprensione dei modelli intuitivi su scala atomica per gli ossidi amorfi per la tecnologia dell'energia pulita è ancora limitata.
"Per migliorare l'efficacia a lungo termine dell'OER anodico, la ricerca di elettrocatalizzatori attivi, selettivi e stabili è in aumento e, tra questi, gli ossidi (e ossiidrossidi) di iridio e rutenio sono noti per la loro eccezionale stabilità e reattività in ambienti acidi", sottolinea il professor Soon. "Un modo promettente per mettere a punto e ingegnerizzare le relazioni struttura-proprietà di questi catalizzatori di ossido è controllare la loro stechiometria e la loro fase polimorfica a livello atomico."
Per la prima volta, sono stati condotti calcoli sistematici della teoria funzionale della densità per esaminare le relazioni struttura-proprietà degli ossidi di iridio nanoporosi e amorfi per riconciliare le prestazioni catalitiche della reazione di evoluzione dell'ossigeno superiori riportate in esperimenti precedenti per aiutare una migliore progettazione dell'OER di prossima generazione catalizzatori.
"Questo studio apre potenzialmente le porte alla progettazione agile di nuovi catalizzatori OER a base di iridio ad alta efficienza per le moderne tecnologie di energia pulita", conclude il professor Soon. + Esplora ulteriormente
