Grøn brint:Hvorfor forbedres visse katalysatorer i drift?

Som regel, de fleste katalysatormaterialer forringes under gentagne katalytiske cyklusser - de ældes. Men der er også forbindelser, der øger deres ydeevne i løbet af katalysen. Et eksempel er mineralet erytrit, en mineralforbindelse bestående af kobolt- og arsenoxider med en molekylformel (Co ₃ (AsO ₄ ) ² ∙8H ₂ O). Mineralet skiller sig ud på grund af dets lilla farve. Erythrit egner sig til at accelerere iltdannelse ved anoden under elektrolytisk opsplitning af vand til brint og oxygen.

Prøver fra Costa Rica

Den unge efterforskergruppe ledet af Dr. Marcel Risch ved HZB sammen med grupper fra Costa Rica har nu analyseret disse katalyserende mineralske materialer i detaljer på BESSY II og gjort en interessant opdagelse.

Ved at bruge prøver produceret af kolleger i Costa Rica bestående af bittesmå erytritkrystaller i pulverform, Javier Villalobos, en ph.d.-studerende i Rischs gruppe ved HZB, belagt elektroderne med dette pulver. Så undersøgte han dem før, i løbet af, og efter hundredvis af elektrolysecyklusser i fire forskellige pH-neutrale elektrolytter, herunder almindeligt sodavand (kulsyreholdigt vand).

Tab af original struktur

Over tid, overfladen af ​​hvert katalytisk aktivt lag udviste klare ændringer i alle elektrolytter. Den oprindelige krystallinske struktur gik tabt, som vist af billeder fra scanningselektronmikroskopet, og flere koboltioner ændrede deres oxidationstal på grund af den påførte spænding, som blev bestemt elektrokemisk. Øget iltudbytte blev også påvist over tid i sodavand (kulsyreholdigt vand), dog kun i den elektrolyt. Katalysatoren blev klart forbedret.

Observationer ved BESSY II

Med analyser på BESSY II, forskerne er nu i stand til at forklare, hvorfor dette var tilfældet:ved hjælp af røntgenabsorptionsspektroskopi, de scannede det atomare og kemiske miljø omkring koboltionerne. De mere aktive prøver mistede deres oprindelige erytritkrystalstruktur og blev omdannet til en mindre ordnet struktur, der kan beskrives som blodplader, der kun er to atomer tykke. Jo større disse blodplader blev, jo mere aktiv prøven var. Data i løbet af katalysecyklusserne viste, at oxidationstallet for kobolten i disse blodplader steg mest i sodavand, fra 2,0 til 2,8. Da oxider med et oxidationstal på 3 er kendt for at være meget gode katalysatorer, dette forklarer forbedringen i forhold til de katalysatorer, der dannes i de andre elektrolytter.

Iltudbyttet fordoblet

I sodavand, iltudbyttet pr. koboltion faldt med en faktor 28 over 800 cyklusser, men samtidig ændrede 56 gange så mange koboltatomer deres oxidationstal elektrokemisk. Makroskopisk set, den elektriske strømgenerering og dermed elektrodens iltudbytte blev fordoblet.

Fra nåle til schweizerost

I en nøddeskal, Risch forklarer:"Over tid, materialet bliver som schweizerost med mange huller og et større overfladeareal, hvor mange flere reaktioner kan finde sted. Selvom de enkelte katalytisk aktive centre med tiden bliver noget svagere, det større overfladeareal betyder, at mange flere potentielle katalytisk aktive centre kommer i kontakt med elektrolytten og øger udbyttet."

Risch antyder, at sådanne mekanismer også kan findes i mange andre klasser af materialer, der består af ikke-toksiske forbindelser, som kan udvikles til egnede katalysatorer.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Avancerede energimaterialer .