科学家通过改变稀土元素含量，调节钙钛矿镍酸盐催化剂的双功能特效

图片来源：Environmental Molecular Sciences Laboratory

通过改变稀土元素可以对钙钛矿镍酸盐RNiO3双功能氧电催化剂进行调节。利用一组定义良好的流延RNiO3 (R = La、La0.5Nd0.5、Nd、Nd0.5Sm0.5、Sm和Gd)薄膜，研究人员证明，减小R的离子半径对OER有利，但对ORR不利，这表明可以设计一种折中策略来平衡它们的性能。

在寻找高效廉价的电催化剂的过程中，氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)这两种提出了一个特殊的挑战。两个反应对开发更好的燃料电池、金属空气电池和电解水分解很重要。铂、氧化铱和氧化钌等材料非常适合这些反应，但它们既稀有又昂贵。

由太平洋西北国家实验室科学家Yingge Du领导的一个研究小组正在评估一种替代方案。他们正在一起研究钙钛矿结构的稀土镍酸盐(RNiO3)，这种镍酸盐可以作为双功能催化剂，同时具有OER和ORR的功能。

Du教授说:“对RNiO3体系密切相关的ORR和OER活动进行研究具有重大的科学和技术意义，以便能够建立一种结构-性质-性能的关系。这样做可能产生一种取代贵金属的双功能催化剂。”

最近，Du和他的团队对一组定义明确的RNiO3流延薄膜进行了性能测试，发现了有助于提高电催化活性的一些性质。通过调整稀土元素(R)，科学家们将各种镍酸盐的结构和物理性质与它们的ORR和OER活性联系起来。

“我们发现调整稀土元素是平衡双功能电催化剂的ORR和OER活性的有效方法，” Du说。

他们的研究（Tuning Bifunctional Oxygen Electrocatalysts by Changing A-site Rare-Earth Element in Perovskite Nickelates）最近发表在Advanced Functional Materials杂志上。

设计高性能的双功能电催化剂需要有目地的平衡OER和ORR。通过测试这些密切相关的RNiO3家族的表现，科学家可以建立结构-性质-性能关系——这是一个尚未被系统探索的领域。这些基本的见解可以用来设计更好、更低成本的催化剂来催化这些关键的氧反应。

Du和他的研究小组研究了在SrTiO3(001)上通过脉冲激光沉积生长一系列稀土镍薄膜，其中R的种类包括镧(La)、钕(Nd)、钐(Sm)和钆(Gd)。

研究发现，降低R (rLa > rNd > rSm rGd)的离子半径会导致生成的薄膜电导率降低，从而对ORR产生负向影响。另一方面，在最初使用更小的离子(如Nd或Nd和Sm的混合物)取代La时，OER活性增加。通过形成氧空穴，减小R的半径可以增加反键eg轨道的平均占用率，这是一种可以增强OER活性的条件。

研究表明，尽管RNiO3不能同时提高OER和ORR，但这种双功能电催化剂的未来设计可以从折中策略中获益，特别是考虑到OER的缓慢反应动力学是许多低温储能装置能量损失的主要原因。

研究人员目前正在继续研究应变和掺杂对RNiO3的物理、化学和离子传输特性的影响。

原文题目：Tuning the electrocatalytic performance of bifunctional catalysts，原文来自：phys，由材料科技在线团队编译。