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Mechanism Engineering of the Oxygen Evolution Reaction

Descrizione del progetto

Un approccio radicalmente nuovo potrebbe spalancare le porte a percorsi di reazione a cascata altamente efficienti

La reazione di evoluzione dell’ossigeno è una fase limitante sulla strada verso la generazione di ossigeno molecolare e idrogeno verde in numerosi processi. Recentemente ha suscitato notevole interesse a causa della sua importanza per i processi industriali sostenibili e in particolare per l’energia rinnovabile nella raffinazione dei metalli, nelle batterie e nella produzione di combustibili mediante elettrolisi dell’acqua in ossigeno e idrogeno. I catalizzatori sono fondamentali per le reazioni di evoluzione dell’ossigeno e la progettazione di catalizzatori più efficienti è un obiettivo comune degli studi che cercano modi per migliorarne l’efficienza. Il progetto ME4OER, finanziato dall’UE, si concentrerà sull’ingegnerizzazione dei meccanismi di reazione di più fasi in una sequenza di reazioni anziché ricercare un catalizzatore migliore per una sola fase, un processo che potrebbe migliorare l’efficienza in modo esponenziale, e non solo per le reazioni di evoluzione dell’ossigeno.

Obiettivo

I propose innovative strategies to elucidate and engineer the electrocatalytic mechanism of earth-abundant transition metal oxides with the aim of enhancing the low efficiency of the oxygen evolution reaction (OER). Mastering multi-electron reactions such as the OER is critical for the transition from dwindling fossil fuels to ecologically and economically sustainable fuels based on renewable energy. Water is the most abundant source of hydrogen bonds on earth and fuels based on these bonds have the highest energy densities, which makes water an attractive resource for sustainable fuels production. However, the production of any hydrogen-based fuel from water is currently thwarted by the low efficiency of the OER. Improved catalysts are presently designed by optimizing a single step in the reaction sequence. In contrast, I target the low efficiency of the OER by engineering multiple steps of the mechanism to (i) control the number of electron transfers before the limiting step; and (ii) enforce a reaction path close to the thermodynamic limit. Combining these two strategies increases the catalytic current of transition metal oxides at typical overpotentials by a factor of 100,000. Rational design of the mechanism on this fundamental level calls for unprecedented insight into the active state of electrocatalysts. My team will achieve this firstly by novel approaches to prepare catalytically limiting states for their elucidation by synchrotron-based X-ray spectroscopy and secondly by studying transitions between these states in pioneering time-resolved experiments. Both the required breakthroughs in method development and the innovative scientific strategies are generalizable to other multi-electron reactions, which opens the door for industrial catalysts that store energy sustainably in hydrogen-based fuels on a global scale.

Meccanismo di finanziamento

ERC-STG - Starting Grant

Istituzione ospitante

HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FUR MATERIALIEN UND ENERGIE GMBH
Contribution nette de l'UE
€ 1 499 980,00
Indirizzo
HAHN MEITNER PLATZ 1
14109 Berlin
Germania

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Regione
Berlin Berlin Berlin
Tipo di attività
Research Organisations
Collegamenti
Costo totale
€ 1 499 980,00

Beneficiari (1)