Design principles for oxygen-reduction activity on perovskite oxide catalysts for fuel cells and metal–air batteries

催化作用 化学 氧化物 金属 钙钛矿(结构) 过渡金属 氧气 铂金 无机化学 化学工程 贵金属 纳米技术 材料科学 有机化学 工程类
作者
Jin Suntivich,Hubert A. Gasteiger,Naoaki Yabuuchi,Haruyuki Nakanishi,John B. Goodenough,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:3 (7): 546-550 被引量:2474
标识
DOI:10.1038/nchem.1069
摘要

The prohibitive cost and scarcity of the noble-metal catalysts needed for catalysing the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells and metal-air batteries limit the commercialization of these clean-energy technologies. Identifying a catalyst design principle that links material properties to the catalytic activity can accelerate the search for highly active and abundant transition-metal-oxide catalysts to replace platinum. Here, we demonstrate that the ORR activity for oxide catalysts primarily correlates to σ-orbital (e(g)) occupation and the extent of B-site transition-metal-oxygen covalency, which serves as a secondary activity descriptor. Our findings reflect the critical influences of the σ orbital and metal-oxygen covalency on the competition between O(2)(2-)/OH(-) displacement and OH(-) regeneration on surface transition-metal ions as the rate-limiting steps of the ORR, and thus highlight the importance of electronic structure in controlling oxide catalytic activity.
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