Dans la recherche d'électrocatalyseurs hautement actifs et peu coûteux, deux réactions posent un défi particulier :la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER). Les deux sont importants pour le développement de meilleures piles à combustible, batteries métal-air, et le fractionnement électrolytique de l'eau. Des matériaux tels que le platine, l'oxyde d'iridium et l'oxyde de ruthénium conviennent bien à ces réactions, mais ils sont rares et chers.

Dirigé par Yingge Du, scientifique du Pacific Northwest National Laboratory, une équipe de chercheurs évalue des alternatives. Ils travaillent ensemble pour étudier les nickelates de terres rares à structure pérovskite (RNiO 3 ) qui peuvent servir de catalyseurs bifonctionnels capables d'effectuer à la fois des OER et des ORR.

« Il est d'un grand intérêt scientifique et technologique d'examiner les activités ORR et OER du RNiO étroitement lié 3 famille pour qu'une relation structure-propriété-performance puisse s'établir, " a déclaré Du. "Ceci peut produire un catalyseur bifonctionnel qui peut remplacer les métaux nobles."

Récemment, Du et son équipe ont effectué des tests de performance sur un ensemble de RNiO bien définis 3 films minces épitaxiés et découvert quelles propriétés contribuent à une activité électrocatalytique plus élevée. En accordant les éléments des terres rares (R), les scientifiques ont corrélé les propriétés structurelles et physiques de divers nickelates avec leurs activités ORR et OER.

"Nous avons découvert que le réglage des éléments des terres rares est une stratégie efficace pour équilibrer les activités ORR et OER des électrocatalyseurs bifonctionnels, " remarqua Du.

Leur étude, "Tuning Bifunctional Oxygen Electrocatalysts by Changing A-site Rare-Earth Element in Perovskite Nickelates a été récemment publié dans Matériaux fonctionnels avancés .

La conception d'électrocatalyseurs bifonctionnels hautes performances nécessite un équilibre stratégique entre l'OER et l'ORR. En examinant ces activités dans le RNiO étroitement lié 3 famille, les scientifiques peuvent établir des relations structure-propriété-performance, un domaine qui n'a pas encore été systématiquement exploré. Ces informations fondamentales peuvent être utilisées pour mieux concevoir, catalyseurs à moindre coût pour effectuer ces réactions critiques de l'oxygène.

Du et son équipe de recherche ont étudié une série de couches minces de nickelate de terres rares cultivées sur SrTiO 3 (001) par dépôt laser pulsé, où les variations de R incluent le lanthane (La), néodyme (Nd), samarium (Sm), et le gadolinium (Gd).

Il a été constaté que la diminution du rayon ionique de R (r La > r nd > r SM > r Dieu ) conduirait à une diminution de la conductivité électronique des films résultants, ce qui a un impact négatif sur l'ORR. D'autre part, l'activité OER a initialement augmenté lors du remplacement de La par des ions plus petits, tels que Nd ou des mélanges de Nd et Sm. Il a été démontré que la réduction du rayon de R augmente l'occupation moyenne de l'anti-liaison, par exemple orbitale, par la formation de lacunes d'oxygène, une condition connue pour améliorer l'activité des REL.

Le travail montre que même si l'OER et l'ORR ne peuvent pas être améliorés simultanément dans RNiO 3 , la conception future de tels électrocatalyseurs bifonctionnels devrait bénéficier d'arbitrages stratégiques, d'autant plus que la cinétique lente de l'OER est la principale cause de perte d'énergie pour de nombreux dispositifs de stockage d'énergie à basse température.

Les chercheurs continuent d'étudier l'impact de l'effort et du dopage sur l'état physique, chimique, et propriétés de transport ionique de RNiO 3 .