Eine internationale Forschergruppe hat einen neuen Ansatz entwickelt, der die Effizienz der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), einem Schlüsselprozess in erneuerbaren Energietechnologien, steigert. Durch die Einführung einzelner Seltenerdatome in Manganoxid (MnO2) gelang es der Gruppe, die elektronischen Zustände des Sauerstoffs erfolgreich zu modulieren, was zu beispiellosen Verbesserungen der OER-Leistung führte.
Ihre Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Nanoenergie.
Übergangsmetalloxide wurden bereits umfassend auf ihr Potenzial als aktive OER-Katalysatoren untersucht. Allerdings wird die Leistungsfähigkeit dieser Katalysatoren durch den Adsorbatentwicklungsmechanismus eingeschränkt, der die effektive Freisetzung von Sauerstoff (O2) während der Reaktion begrenzt.
„Wir haben lokalisierte asymmetrische Gadolinium-Sauerstoff-Mangan-Einheiten auf MnO2 konstruiert, was dabei hilft, Elektronen an Sauerstoffstellen anzusammeln“, bemerkt Hao Li, korrespondierender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku University.
„Dadurch erreichen die Katalysatoren ein geringeres Überpotential und bleiben über die Zeit stabil, was sie zu einer geeigneten Alternative zu herkömmlichen Katalysatoren wie Rutheniumdioxid (RuO2) macht.“
Hao Li und seine Kollegen verwendeten eine argonplasmaunterstützte Strategie, um Seltenerdelemente auf die Katalysatoroberfläche einzubringen. Bei dieser Strategie wird Argongas ionisiert, wodurch die Argonatome angeregt werden und in Ionen und Elektronen zerlegt werden, wodurch die Wechselwirkung mit Materialien und ihre Modifizierung erleichtert wird.
„Wir haben uns mit den Herausforderungen befasst, die mit dem Adsorbatentwicklungsmechanismus verbunden sind, der die Leistung von Übergangsmetalloxiden wie MnO2 einschränkt“, fügt Di Zhang hinzu, Co-Autor der Studie und speziell ernannter Assistenzprofessor am WPI-AIMR.
„Durch ein besseres Verständnis der Struktur-Aktivitäts-Beziehung im Rahmen des Gitter-Sauerstoff-Mechanismus liefert die Forschung eine Grundlage für ein effektiveres Katalysatordesign.“
Aufbauend auf dem Erfolg dieser Studie plant die Gruppe, ihre Methodik auf eine Vielzahl elektrochemischer Reaktionen auszudehnen. Dieser Ansatz wird dazu beitragen, einzigartige Struktur-Aktivitäts-Korrelationen weiter zu entschlüsseln und letztlich zur Entwicklung noch effektiverer und leistungsstärkerer Elektrokatalysatoren beizutragen.
Weitere Informationen:
Meng Li et al., Atomare Seltene Erden aktivieren direkte OO-Kopplung in Manganoxid zur elektrokatalytischen Sauerstoffentwicklung, Nanoenergie (2024). DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109868