高温酸素進化反応のためのPrFeO_3-δのスピン状態調節

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• カタリシス

背景:

• ペロブスキート酸化物は,電気触媒の用途に不可欠です.
• 固体酸化物電解細胞 (SOEC) の電子構造と酸素進化反応 (OER) の関係を理解することは不可欠ですが,十分に研究されていません.
• 高温 OER の性能における e_g 電子占有率の役割については,さらなる調査が必要である.

研究 の 目的:

• ペロブスキート酸化物のOER性能に対するAサイトドーピングの影響を調査する.
• BサイトFe電子構造とSOECの高温OERの関係を探求する.
• SOECアノドアプリケーションのためのFeベースのペロブスキットの合理的な設計をガイドする.

主な方法:

• AサイトドーピングされたPr_0.5Ae_0.5FeO_3-δ (Ae = Ca, Sr, Ba) ペロブスキート酸化物の合成.
• SOECにおける高温酸素進化反応 (OER) の電気触媒試験
• X線吸収スペクトロスコーピー,Fe Mössbauerスペクトロスコーピー,および磁気感受性測定を用いた特徴付け.

主要な成果:

• Pr_0.5Ae_0.5FeO_3-δペロブスキットは,高温OERでの優れた性能を示している.
• Pr_0.5Ba_0.5FeO_3-δは,2.0 Vと800 °Cで3.33 A cm^{-2の電流密度を達成した.}
• ドーピングにより,Feのスピン状態が高スピンFe³⁺から低スピンFe⁴⁺へと変化し,e_gの占有量が減少した.

結論:

• BサイトFeにおけるe_g電子占有率の減少は,SOECにおける高温OER性能に極めて重要です.
• Feのスピン状態の移行は,電荷の移転と酸素の輸送を加速します.
• 電子構造を合わせたFeベースのペロブスキットは,SOECアノド材料として有望である.