Учёные раскрыли роль упорядочения катионов в перовскитных анодах для высокотемпературного выделения кислорода

Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c09331

Твердооксидные электролизёры (SOEC) — одна из ведущих технологий для восстановления углекислого газа и преобразования энергии, обеспечивающая высокую плотность тока, отличную фарадеевскую эффективность и низкие перенапряжения. Перовскитные оксиды часто используются в качестве анодов SOEC, однако влияние упорядочения катионов на A-позиции на кинетику реакции выделения кислорода (OER) оставалось неизученным.

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, доцент Сун Юэфэн и его коллеги из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук совместно с профессором Ван Госюном из Фуданьского университета и профессором Лю Мэйлинь из Технологического института Джорджии раскрыли механизмы высокотемпературного OER в анодах SOEC.

Учёные сосредоточились на том, как упорядочение катионов на A-позиции влияет на электрохимические свойства перовскитных анодов, в частности изучив переход от упорядоченной к неупорядоченной структуре в Pr_xBa_2-xCo₂O_5+δ.

Исследователи синтезировали два перовскитных анода с разным содержанием празеодима (Pr): PrBaCo₂O_5+δ (PBCO-1.0) и Pr_1.5Ba_0.5Co₂O_5+δ (PBCO-1.5), а затем систематически изучили влияние упорядочения катионов на электронную структуру и кинетику OER при высоких температурах.

Они обнаружили, что при увеличении содержания Pr с 1.0 до 1.5 кристаллическая структура переходит из упорядоченной тетрагональной фазы (P4/mmm) в неупорядоченную орторомбическую (Pnma). Это изменение нарушило локальную симметрию координации Co–O, усилило гибридизацию орбиталей между состояниями Co 3d и O 2p и улучшило подвижность ионов кислорода, что в итоге ускорило поверхностный кислородный обмен.

При температуре 800°C и напряжении 1.6 В анод PBCO-1.5 продемонстрировал высокую плотность тока 2.29 А/см², подтвердив отличную активность и стабильность в реакции OER.

«Наше исследование объединяет экспериментальные данные с теоретическими выводами, показывая, как упорядочение катионов в перовскитных оксидах определяет путь реакции и кинетику высокотемпературного OER. Эти результаты дают ценные указания для рационального проектирования высокоэффективных анодов SOEC», — отметил доцент Сун.

Дополнительная информация: Lina Yu et al, Breaking the Ion Ordering in the Perovskite Anode for Enhanced High-Temperature Oxygen Evolution Reaction Activity, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c09331

Источник: Chinese Academy of Sciences