Твердооксидные электролизеры (SOEC) представляют собой перспективный путь для эффективного преобразования и хранения энергии путём превращения возобновляемой электроэнергии в химическое топливо, пригодное для хранения, через электролиз углекислого газа при высоких температурах. Однако медленная реакция выделения кислорода (ОER) на аноде представляет собой проблему из-за её сложного четырёхэлектронного процесса переноса.
Оксиды перовскита считаются перспективными кандидатами для анодов SOEC из-за их высокой смешанной ионно-электронной проводимости и настраиваемой электронной структуры. Исследования выявили корреляцию в форме вулкана между занятостью трёхмерного электрона с симметрией e$g$ в оксиде перовскита и внутренней активностью ОER в щелочном растворе. Однако внутренняя связь между занятостью e$g$ и активностью ОER при высоких температурах остаётся неясной.
В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, доцент Сун Юэфэн из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук вместе с профессором Ван Госюном из Университета Фудань разработали серию перовскитов, легированных щёлочноземельными металлами, Pr${0,5}$Ae${0,5}$FeO$_{3−δ}$ (Ae = Ca, Sr, Ba, обозначаемые как PCF, PSF, PBF), чтобы изучить влияние настройки электронной структуры на производительность ОER при высоких температурах.
Исследователи обнаружили, что активность ОER увеличивается с увеличением ионного радиуса легирующей добавки. Они показали, что PBF достиг плотности тока 3,33 А см$^{-2}$ при 2,0 В и 800 °C.
Детальный анализ показал, что легирование щёлочноземельными металлами усилило гибридизацию Fe 3d-O 2p, снизило энергию переноса заряда и способствовало миграции кислородных ионов и поверхностному перетоку, ускоряя процесс ОER. Более того, магнитные измерения показали, что легирование барием индуцировало переход спинового состояния от высокоспинового Fe$^{3+}$ (t${2g}^3$e$g^2$) к низкоспиновому Fe$^{4+}$ (t${2g}^4$e$g^0$), что привело к снижению занятости e$_g$ и ускорению кислородной кинетики.
«Наше исследование определяет настройку спинового состояния как ключевую стратегию для повышения активности ОER при высоких температурах и предоставляет руководство по проектированию электронных структур для разработки передовых анодных материалов SOEC», — сказал доктор Сун.
Предоставлено Китайской академией наук.