Một nhóm nghiên cứu đã báo cáo về một phương pháp mới để tăng cường diện tích bề mặt điện hóa (ECSA) trong perovskite pha tạp canxi, La0,6 Ca0,4MnO3 (LCMO64), từ đó khắc phục được điểm nghẽn thường gặp trong ứng dụng oxit perovskite làm chất xúc tác điện trong pin nhiên liệu hydro.
Bằng chứng về sự rửa trôi canxi trong ORR, dẫn đến diện tích bề mặt cao của LCMO64. Nhà cung cấp hình ảnh: Hao Li và cộng sự.
Chi tiết về các phát hiện đã được báo cáo trên tạp chí Tài liệu nâng cao vào ngày 29 tháng 11 năm 2023.
Ôxít Perovskite thể hiện các đặc tính thú vị và đa dạng, khiến chúng có giá trị trong các ứng dụng công nghệ khác nhau. Hoạt tính nội tại cao của chúng cũng định vị chúng là một chất thay thế đầy hứa hẹn cho các chất xúc tác kim loại quý để xúc tác hiệu quả cho phản ứng khử oxy (ORR). Tuy nhiên, ứng dụng của chúng vẫn bị cản trở bởi độ dẫn điện kém và diện tích bề mặt riêng thấp.
"Quy trình lọc canxi bằng điện hóa của chúng tôi đã làm tăng đáng kể ECSA trong LCMO64," Hao Li, Phó Giáo sư tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến (WPI-AIMR) của Đại học Tohoku và là tác giả tương ứng của bài báo, chỉ ra. "LCMO64 được kích hoạt, thiếu canxi đã chứng minh ECSA cao hơn khoảng 33,84% so với vật liệu chưa được kích hoạt, cho thấy hiệu suất ORR xúc tác điện vượt trội—vượt qua chất xúc tác Pt/C thương mại tiêu chuẩn trong dung dịch kiềm."
Để kiểm tra các tiêu chuẩn của vật liệu, Li và các đồng nghiệp của ông đã tiến hành phân tích lý thuyết cùng với việc thăm dò trạng thái bề mặt điện hóa và mô hình hóa vi động học phụ thuộc vào độ pH. Kết quả cho thấy chất xúc tác này đạt tới mức tối ưu Sabatier của ORR kiềm.
Các phân tích lý thuyết tiên tiến nhất về hoạt động ORR trên vật liệu. Nhà cung cấp hình ảnh: Hao Li và cộng sự.
Hiệu suất điện hóa. Nhà cung cấp hình ảnh: Hao Li và cộng sự.
Nghiên cứu này đánh dấu lần đầu tiên một chiến lược liên quan đến pha tạp canxi (Ca) được sử dụng để vượt qua những thách thức liên quan đến độ dẫn điện và diện tích bề mặt thấp trong oxit perovskite. Hiện tượng lọc Ca đặc biệt được quan sát trong điều kiện ORR dẫn đến độ nhám bề mặt cao hơn, mở rộng đáng kể diện tích bề mặt có sẵn cho ORR và do đó nâng cao hiệu suất của chất xúc tác.
"Việc tìm kiếm các chất xúc tác điện hiệu quả và chi phí thấp cho ORR trong pin nhiên liệu hydro là một thách thức đáng kể" thêm Li. "Công việc của chúng tôi không chỉ giải quyết thách thức này mà còn đưa ra một chiến lược mới nhằm nâng cao hiệu suất xúc tác điện của oxit perovskite. Bước đột phá này có ý nghĩa sâu rộng đối với việc áp dụng rộng rãi công nghệ pin nhiên liệu hydro.”
