(a) De schematische route voor de synthese van P-Gd SAs@MnO2 nanosheets; (b, c) XRD-patronen van P-Gd SAs@MnO2 en MnO2; (d) EPR-spectrum van P-Gd SAs@MnO2MnO2en blanco CC. Credit: Hao Li et al.
Een internationale groep onderzoekers heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld die de efficiëntie van de zuurstofevolutiereactie (OER) verbetert, een belangrijk proces in hernieuwbare energietechnologieën. Door zeldzame aarde-atomen in mangaanoxide (MnO2), moduleerde de groep met succes de elektronische toestanden van zuurstof, wat leidde tot ongekende verbeteringen in de OER-prestaties.
Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het dagboek Nano-energie.
Oxiden op basis van transitiemetalen zijn uitgebreid onderzocht op hun potentieel als actieve OER-katalysatoren. De capaciteit van deze katalysatoren wordt echter belemmerd door het adsorbaat-evolutiemechanisme, dat de effectieve afgifte van zuurstof (O2) tijdens de reactie.
“We hebben gelokaliseerde asymmetrische gadolinium-zuurstof-mangaan-eenheden op MnO geconstrueerd2“, wat helpt bij het verzamelen van elektronen op zuurstofplekken”, aldus Hao Li, corresponderende auteur van het artikel en universitair hoofddocent aan het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) aan de Tohoku Universiteit.
“Door dit te doen bereiken de katalysatoren een lagere overpotentiaal en behouden ze stabiliteit in de loop van de tijd, waardoor het een geschikt alternatief is voor traditionele katalysatoren zoals rutheniumdioxide (RuO2).”
Hao Li en zijn collega’s gebruikten een argon plasma-ondersteunde strategie om zeldzame aarde-elementen op het katalysatoroppervlak te introduceren. In deze strategie wordt argongas geïoniseerd, waardoor de argonatomen worden geactiveerd en afgebroken in ionen en elektronen, waardoor het gemakkelijker wordt om met materialen te interacteren en deze te modificeren.
-
PDOS-diagrammen van (a) MnO₂-plaatmodel en (b) Gd-MnO₂-plaatmodel met [Gd−O−Mn] eenheidssite. (c)-(d) VBM- en CBM-diagrammen van Gd-MnO₂ met Kohn-Sham-orbitaalpopulatie (iso-oppervlak 0,002 e/ų). (e) Geprojecteerde MLWF-plots van O₂c- en Mn₅c-sites in [Gd−O−Mn] eenheid (iso-oppervlak 1,5 e/ų). (f) Mechanisme van (OO)-dimeervorming voor OER-katalyse, met ELF-plots voor bulk-MnO₂, slab-MnO₂-model en Gd-MnO₂-slabmodel (iso-oppervlak 0,7 e/ų). Roze, groene, rode en witte bollen geven respectievelijk Mn, Gd, O en H aan. Credit: Hao Li et al.
-
Oppervlakte-Pourbaixdiagrammen: (a) H-dekking voor MnO₂-plak met Mn₆c-O₃c-keten, (b) zuurstofspeciesdekking voor MnO₂-plaat met Mn₅c- en O₂c-plaatsen. (c) 2D-oppervlakte-Pourbaixdiagram dat URHE versus pH laat zien. (d) Geometrische structuren van MnO₂ en Gd-MnO₂ met verschillende zuurstofintermediairen. (e) OER-vrije-energiediagrammen voor MnO₂ en Gd-MnO₂ bij 1,23 V. Roze, groene, rode en witte bollen geven respectievelijk Mn, Gd, O en H aan. Credit: Hao Li et al.
“We hebben de uitdagingen aangepakt die samenhangen met het evolutiemechanisme van adsorbaten, dat de prestaties van op overgangsmetalen gebaseerde oxiden zoals MnO beperkt2“, voegt Di Zhang toe, medeauteur van de studie en speciaal aangestelde assistent-professor bij WPI-AIMR.
“Door het inzicht in de structuur-activiteitsrelatie onder het roosterzuurstofmechanisme te verbeteren, biedt het onderzoek een basis voor effectiever katalysatorontwerp.”
Voortbouwend op het succes van deze studie, is de groep van plan om hun methodologie uit te breiden naar een verscheidenheid aan elektrochemische reacties. Deze aanpak zal helpen om unieke structuur-activiteitscorrelaties verder te ontcijferen, wat uiteindelijk zal bijdragen aan het ontwerp van nog effectievere en hoogwaardigere elektrokatalysatoren.
Meer informatie:
Meng Li et al, Atomaire zeldzame aarden activeren directe OO-koppeling in mangaanoxide voor elektrokatalytische zuurstofontwikkeling, Nano-energie (2024). DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109868
Tijdschriftinformatie:
Nano-energie
Aangeboden door Tohoku University
