Los electrocatalizadores de oxígeno bifuncionales de niquelatos de perovskita RNiO3 pueden ajustarse cambiando elementos de tierras raras. Usando un conjunto de bien definidos, RNiO3 epitaxial (R =La, La0.5Nd0.5, Dakota del Norte, Nd0.5Sm0.5, Sm y Gd) películas delgadas, Los investigadores demostraron que disminuir el radio iónico de R es beneficioso para los REA, pero no para el ORR. revelando que se puede diseñar una compensación estratégica para equilibrar su desempeño. Crédito:Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales
En la búsqueda de electrocatalizadores altamente activos y económicos, dos reacciones plantean un desafío particular:la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER). Ambos son importantes para el desarrollo de mejores pilas de combustible, baterías de metal-aire, y desdoblamiento electrolítico de agua. Materiales como platino, El óxido de iridio y el óxido de rutenio son adecuados para estas reacciones. pero son escasos y costosos.
Dirigido por el científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, Yingge Du, un equipo de investigadores está evaluando alternativas. Están trabajando juntos para estudiar niquelatos de tierras raras con estructura de perovskita (RNiO 3 ) que pueden servir como catalizadores bifuncionales capaces de realizar tanto REA como ORR.
"Es de gran interés científico y tecnológico examinar las actividades de ORR y REA de la RNiO estrechamente relacionada 3 familia para que se pueda establecer una relación estructura-propiedad-desempeño, ", dijo Du." Hacerlo puede producir un catalizador bifuncional que puede reemplazar a los metales nobles ".
Recientemente, Du y su equipo realizaron pruebas de rendimiento en un conjunto de RNiO bien definido 3 películas delgadas epitaxiales y descubrió qué propiedades contribuyen a una mayor actividad electrocatalítica. Al ajustar los elementos de tierras raras (R), los científicos correlacionaron las propiedades estructurales y físicas de varios niquelatos con sus actividades ORR y OER.
"Descubrimos que ajustar los elementos de tierras raras es una estrategia eficaz para equilibrar las actividades de ORR y OER de los electrocatalizadores bifuncionales, "remarcó Du.
Su estudio, "El ajuste de los electrocatalizadores de oxígeno bifuncionales mediante el cambio de un elemento de tierras raras del sitio A en los nicquelatos de perovskita se publicó recientemente en Materiales funcionales avanzados .
El diseño de electrocatalizadores bifuncionales de alto rendimiento requiere equilibrar estratégicamente REA y ORR. Al examinar estas actividades en la RNiO estrechamente relacionada 3 familia, los científicos pueden establecer relaciones estructura-propiedad-desempeño, un área que aún no se ha explorado sistemáticamente. Estos conocimientos fundamentales se pueden utilizar para diseñar mejor, catalizadores de menor costo para realizar estas reacciones críticas de oxígeno.
Du y su equipo de investigación investigaron una serie de películas delgadas de niquelato de tierras raras cultivadas en SrTiO 3 (001) por deposición de láser pulsado, donde las variaciones de R incluyen lantano (La), neodimio (Nd), samario (Sm), y gadolinio (Gd).
Se encontró que al disminuir el radio iónico de R (r La > r Dakota del Norte > r Sm > r Di-s ) conduciría a una disminución de la conductividad electrónica de las películas resultantes, que impacta la ORR de manera negativa. Por otra parte, la actividad REA aumentó inicialmente al sustituir La con iones más pequeños, tales como Nd o mezclas de Nd y Sm. Se demostró que la reducción del radio de R aumenta la ocupación promedio del antienlazante, por ejemplo, el orbital a través de la formación de vacantes de oxígeno, una condición conocida por mejorar la actividad REA.
El trabajo muestra que aunque los REA y ORR no se pueden mejorar simultáneamente en RNiO 3 , el diseño futuro de estos electrocatalizadores bifuncionales debería beneficiarse de compensaciones estratégicas, especialmente considerando que la cinética lenta de los REA es la principal causa de pérdida de energía para muchos dispositivos de almacenamiento de energía de baja temperatura.
Los investigadores continúan investigando el impacto de la tensión y el dopaje en el físico, químico, y propiedades de transporte de iones de RNiO 3 .
