Grupa istraživača razvila je elektrokatalizator koji obećava da će značajno poboljšati efikasnost i stabilnost reakcija evolucije kiseonika (OER) u kiselim sredinama. Ugrađivanjem elementa retke zemlje, erbijuma (Er), u najčešće proučavani katalizator kobalt oksida (Co 3 O 4 ), tim je pokazao novo, isplativo rešenje koje prevazilazi performanse mnogih katalizatora bez plemenitih metala, nudeći alternativa skupljim opcijama na bazi plemenitih metala.
Detalji o nalazima objavljeni su u časopisu ACS kataliza, gde je studija takođe izabrana kao izbor urednika.
Reakcija evolucije kiseonika, kritičan proces u cepljenju vode i konverziji energije, zahteva robusne i efikasne katalizatore, posebno u kiselim uslovima. Tradicionalno, katalizatori na bazi kobalta pokazuju umerene performanse zbog svoje kristalne strukture spinela, koja obezbeđuje stabilnost i katalitičku aktivnost. Međutim, uvođenje Er u katalizator Co 3 O 4 označava značajan korak napred.
„Naše istraživanje pokazuje da dopiranjem male količine erbijuma u Co 3 O 4 možemo poboljšati i aktivnost i stabilnost katalizatora“, kaže Tianii Vang, postdoktorski istraživač JSPS na Naprednom institutu za istraživanje materijala Univerziteta Tohoku (VPI- AIMR), i koautor rada.
„Katalizator Co 3 O 4 sa 4% dopiranog Erom koji smo razvili postigao je impresivan prepotencijal od samo 321 mV na 10 mA cm 2 i održao stabilnost više od 250 sati. Ovaj učinak je uporediv, au nekim slučajevima bolji od skupljeg katalizatori na bazi iridijuma“.
Tim je koristio napredne tehnike, kao što su mikrokinetičko modeliranje i proračuni teorije funkcionalne gustine (DFT), da bi razumeli zašto ovaj dopirani katalizator radi tako dobro. Inkorporacija Er je dovela do formiranja aktivnijih mesta i defekata u kristalnoj strukturi, što je zauzvrat povećalo odnos Co 3+ i Co 2+ jona. Ova promena igra ključnu ulogu u stvaranju slobodnih mesta za kiseonik, što je ključno za ubrzanje OER procesa.
„Zamislite katalizator kao put“, objašnjava Hao Li, vanredni profesor na VPI-AIMR i koautor rada. „Er doping u suštini dodaje dodatne trake, omogućavajući više saobraćaja da se nesmetano kreće. U ovom slučaju, saobraćaj je kiseonik koji je potreban za reakciju. Povećani broj slobodnih mesta za kiseonik deluje kao ove dodatne trake, ubrzavajući reakciju.“
Pored toga, in situ Ramanova spektroskopija je otkrila da su slobodna mesta za kiseonik stvorena Er dopingom locirana na oktaedarskim mestima strukture Co 3 O 4 . Ova slobodna radna mesta su olakšala razvoj kritičnih intermedijarnih vrsta, koje su neophodne za pokretanje OER procesa. Veći odnos Co 3+ /Co 2+ ⁺ dodatno je poboljšao katalitičku aktivnost obezbeđivanjem aktivnijih Co 3+ mesta za učvršćivanje ovih intermedijera.
„Ova kombinacija elektronske i strukturne optimizacije je zaista ono što čini katalizator istaknutim“, dodaje Vang. „Uravnoteženost između ova dva faktora nam omogućava da postignemo tako visoke performanse.
Ovo istraživanje otvara nove mogućnosti za dizajn katalizatora visokih performansi koji su istovremeno isplativi i održivi. Krećući se napred, istraživači planiraju da se više fokusiraju na doping koji nije plemeniti metal kako bi dizajnirao visoke performanse, jeftine i lako dostupne elektrokatalizatore.
