Pour créer de meilleures batteries et piles à combustible, les scientifiques doivent faire en sorte que les molécules d'oxygène gagnent et perdent des électrons efficacement. Les réactions sont désespérément lentes. Accélérer les réactions nécessite de la chaleur et du platine, qui coûtent cher. Maintenant, les chercheurs ont découvert des principes de conception essentiels pour concevoir des catalyseurs qui utilisent des métaux plus facilement disponibles et moins de chaleur. Les catalyseurs se sont bien comportés et sont restés stables sur le long terme.

Les scientifiques ont recherché de meilleurs catalyseurs pour les électrodes des piles à combustible et des batteries. Ces catalyseurs entraînent des réactions qui déplacent les électrons vers et depuis l'oxygène (connu sous le nom d'électrocatalyse à l'oxygène). Cependant, la création de tels catalyseurs a été difficile. Pourquoi? Les chercheurs ont utilisé des approches d'essais et d'erreurs. Ils avaient besoin des principes de conception sous-jacents. Avec ces informations en main, les chercheurs peuvent mieux éviter les impasses et travailler sur les options les plus prometteuses.

Créer des batteries métal-air efficaces, réservoirs de carburant, et d'autres systèmes de conversion et de stockage d'énergie dépend, en partie, sur la vitesse à laquelle les molécules d'oxygène gagnent et perdent des électrons. Pour rendre ces systèmes commercialement viables, ils ont besoin de catalyseurs peu coûteux, actif, sélectif, et stable. Les chercheurs ont examiné des catalyseurs prometteurs fabriqués à partir de divers ratios de métaux moins chers. Spécifiquement, ces catalyseurs sont stratifiés, oxydes conducteurs mixtes ioniques-électroniques.

Les chercheurs ont montré qu'un descripteur calculé, à quel point l'oxygène se lie étroitement à un endroit où un atome d'oxygène manque à la surface du catalyseur, peut identifier les structures les plus prometteuses. L'équipe a testé dans quelle mesure ce descripteur prédisait les performances catalytiques en synthétisant, caractériser, et tester des catalyseurs avec différentes valeurs de descripteur. Ils ont découvert que les tiges nanométriques fabriquées à partir d'oxyde de nickelate de lanthane dopé au cobalt fonctionnaient bien dans les piles à combustible à oxyde solide à environ 1000 degrés Fahrenheit et étaient stables à long terme. Les résultats de l'équipe démontrent l'efficacité des principes de conception. Plus loin, les travaux mettent en évidence le potentiel du nouveau catalyseur et devraient bénéficier aux efforts de conception des piles à combustible et des batteries.