Struktur

24. Juni 2022

von der Yonsei University

Südkoreanische Forscher haben quantenmechanische First-Principles-Simulationen eingesetzt, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in verschiedenen polymorphen Phasen von Iridiumoxiden besser zu verstehen und deren 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 Erkenntnisse des computergestützten Materialwissenschaftlers Professor Aloysius Soon und seines Teams vom Department of Materials Science & Engineering der Yonsei University zeigen neue physiochemische Erkenntnisse darüber, wie nichtäquivalente Konnektivität in den amorphen Strukturen die Flexibilität der Ladungszustände der Iridiumkationen stark erhöht und begünstigt daher das Vorhandensein elektrophiler Sauerstoffatome in ihnen im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken. Wie Professor Soon in Nature Communications schreibt: „Ein grundlegendes Verständnis der hochleistungsfähigen, nanoporenhaltigen amorphen Iridiumoxide auf atomarer Ebene fehlt immer noch. Und es behindert die Festlegung einer Designregel für weitere Leistungsverbesserungen erheblich.“

„Diese rechnerische Studie zu experimentell berichteten (aber weniger untersuchten) metastabilen nanoporösen und amorphen Iridiumoxiden liefert neue physikalische Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehung, um die überlegene OER-Leistung von unterstöchiometrischen 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.

Obwohl es wichtig ist, die komplexen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in fortschrittlichen Materialien genau zu verstehen, ist das Verständnis intuitiver Modelle auf atomarer Ebene für amorphe Oxide für saubere Energietechnologien immer noch begrenzt.

„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. „Eine vielversprechende Möglichkeit, die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Oxidkatalysatoren abzustimmen und zu manipulieren, besteht darin, ihre Stöchiometrie und polymorphe Phase auf atomarer Ebene zu steuern.“

Zum ersten Mal wurden systematische Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt, um 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 und 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.

Mehr Informationen: Sangseob Lee et al., Aktivierte chemische Bindungen in nanoporösen und amorphen Iridiumoxiden begünstigen ein niedriges Überpotential für die Sauerstoffentwicklungsreaktion, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30838-y

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

Zur Verfügung gestellt von der Yonsei University