In Südkorea ansässige Forscher haben quantenmechanische First-Principles-Simulationen verwendet, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in verschiedenen polymorphen Phasen von Iridiumoxiden besser zu verstehen und ihre herausragende Leistung bei der Katalyse der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) aufzuklären. Die OER ist eine wichtige Halbzellenreaktion, bei der Wasser katalytisch gespalten wird, um Sauerstoff zu entwickeln. Aufgrund der intrinsischen trägen Kinetik der OER führt dies jedoch im Allgemeinen zu einer insgesamt schlechten katalytischen Leistung.
Die neuesten Ergebnisse des Computational Materials Scientist Professor Aloysius Soon und seines Teams vom Department of Materials Science & Engineering der Yonsei University zeigen neue physikochemische Erkenntnisse darüber, wie nichtäquivalente Konnektivität in den amorphen Strukturen die Flexibilität der Ladungszustände der Iridiumkationen stark erhöht und fördert daher das Vorhandensein von elektrophilen Sauerstoffatomen in ihnen im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken. Wie Professor Soon schreibt Naturkommunikation: „Ein grundlegendes Verständnis von Hochleistungs-Nanoporen enthaltenden amorphen Oxiden von Iridium auf atomarer Ebene fehlt immer noch sehr.
„Diese Computerstudie zu experimentell berichteten (aber weniger untersuchten) metastabilen nanoporösen und amorphen Iridiumoxiden bietet neue physikalische Einblicke in die Beziehung zwischen Struktur und Eigenschaft, um die überlegene OER-Leistung von substöchiometrischen amorphen Iridiumoxiden zu erklären und in Einklang zu bringen. Dies öffnet möglicherweise Türen für die agiles Design von Iridium-basierten OER-Katalysatoren für moderne saubere Energietechnologien“, fügt er hinzu.
Trotz der Bedeutung eines soliden Verständnisses komplexer Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in fortschrittlichen Materialien gibt es immer noch ein begrenztes Verständnis intuitiver Modelle auf atomarer Ebene für amorphe Oxide für saubere Energietechnologien.
„Um die langfristige Wirksamkeit der anodischen OER zu verbessern, hat die Suche nach aktiven, selektiven und stabilen Elektrokatalysatoren zugenommen, und unter ihnen sind Oxide (und Oxyhydroxide) von Iridium und Ruthenium für ihre herausragende Stabilität und Reaktivität bekannt in sauren Umgebungen“, betont Professor Soon. „Ein vielversprechender Weg, die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Oxidkatalysatoren abzustimmen und zu konstruieren, besteht darin, ihre Stöchiometrie und polymorphe Phase auf atomarer Ebene zu kontrollieren.“
Zum ersten Mal wurden systematische Berechnungen der Dichtefunktionstheorie durchgeführt, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von nanoporösen und amorphen Iridiumoxiden zu untersuchen, um die in früheren Experimenten berichtete überlegene katalytische Leistung der Sauerstoffentwicklungsreaktion in Einklang zu bringen, um ein besseres Design der OER der nächsten Generation zu unterstützen Katalysatoren.
„Diese Studie öffnet möglicherweise Türen für das agile Design neuartiger Iridium-basierter OER-Katalysatoren mit hoher Effizienz für moderne saubere Energietechnologien“, schließt Professor Soon.
Sangseob Lee et al, Aktivierte chemische Bindungen in nanoporösen und amorphen Iridiumoxiden begünstigen ein niedriges Überpotential für die Sauerstoffentwicklungsreaktion, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30838-y
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