ペロブスカイト構造の酸素発生反応を強化(Spin-state Tuning in PrFeO3-δ Perovskite Boosts High-temperature Oxygen Evolution Reaction)

2025-09-04 中国科学院(CAS)

固体酸化物電解セル(SOEC)は、再生可能エネルギーを高温で化学燃料へ変換・貯蔵できる有望な技術だが、アノードでの酸素発生反応(OER)が遅いことが課題とされる。大連化学物理研究所(中国科学院)の宋越峰副教授と復旦大学の王国雄教授らは、ペロブスカイト型酸化物Pr0.5Ae0.5FeO3−δ(Ae=Ca, Sr, Ba)を開発し、電子構造調整が高温OER性能に与える影響を解明した。研究では、ドーパントのイオン半径が大きいほどOER活性が向上し、Baを導入したPBFは800℃・2.0 Vで3.33 A cm−2という高電流密度を達成した。詳細解析から、アルカリ土類金属の添加がFe 3d–O 2pの混成を強め、電荷移動エネルギーを低下させ、酸素イオンの移動と表面反応を促進することが判明。また、Ba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+へ転移し、eg占有数の減少と酸素反応速度の加速をもたらすことが示された。本成果は、高温OERの活性向上にスピン状態制御が有効であることを示し、先進的SOECアノード材料設計の指針を提供する。

<関連情報>

高温酸素発生反応のためのPrFeO3-δペロブスカイトにおけるスピン状態調整 Spin-State Tuning in PrFeO3-δ Perovskite for High-Temperature Oxygen Evolution Reaction

Jingcheng Yu,Qingxue Liu,Shuo Wang,Shiming Zhou,Rongtan Li,Weicheng Feng,Yige Guo,Xiaomin Zhang,Rile Ge,Junhu Wang,Limin Liu,Shaowei Zhang,Geng Zou,Yuefeng Song,Guoxiong Wang,and Xinhe Bao
Journal of the American Chemical Society  Published: August 26, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c10937

Abstract

ペロブスカイト構造の酸素発生反応を強化(Spin-state Tuning in PrFeO3-δ Perovskite Boosts High-temperature Oxygen Evolution Reaction)

The electrocatalytic activity of perovskite oxides is fundamentally governed by their electronic structure. However, a deeper understanding of the relationship between the eg electron occupancy and high-temperature oxygen evolution reaction (OER) performance in solid oxide electrolysis cells (SOECs) remains underexplored. Here, A-site doped Pr0.5Ae0.5FeO3−δ (Ae = Ca, Sr, Ba) are constructed with exceptional high-temperature OER performance, and Pr0.5Ba0.5FeO3−δ achieves a current density of 3.33 A cm–2 at 2.0 V and 800 °C. X-ray absorption spectroscopy, 57Fe Mössbauer spectroscopy, and magnetic susceptibility measurements reveal that alkaline earth metal doping induces a spin-state transition from high-spin Fe3+ (t2g3eg2) to low-spin Fe4+ (t2g4eg0), with reduced eg occupancy, thus accelerating the charge transfer and oxygen transport in the OER process. This work sheds light on the critical role of the B-site Fe electronic structure in high-temperature OER performance and provides guidance for the rational design of Fe-based perovskites as SOEC anode materials.

0402電気応用
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