Bobler hjælper nye katalysatorer med at optimere sig selv

Forskere ved Rice University og Lawrence Livermore National Laboratory har forudsagt og skabt nye todimensionale elektrokatalysatorer for at udvinde brint fra vand med høj ydeevne og lave omkostninger.

I processen, de skabte også en simpel model til at screene materialer for katalytisk aktivitet.

Adskillige katalysatorer blev modelleret af Rice teoretisk fysiker Boris Yakobson og hovedforfatter Yuanyue Liu, en tidligere kandidatstuderende i sit laboratorium, og lavet og testet af rismaterialeforskere ledet af Pulickel Ajayan og Jun Lou. De fandt ud af, at de nye dichalcogenid-katalysatorer matchede effektiviteten af ​​platin - den mest almindelige hydrogenudviklingsreaktion (HER) katalysator i vandspaltede celler - og kan laves til en brøkdel af prisen.

Undersøgelsen vises i Naturenergi .

Forskere, der har testet molybdæn og wolfram-dichalcogenider som mulige HER-katalysatorer, var frustrerede over at finde, at de aktive steder havde en tendens til at koncentrere sig ved metalpladernes kanter, en lille procentdel af materialets overflade.

Rice-holdet vendte sig mod niobium og tantal, to andre overgangsmetaller (og kaldet Group-5 elektrokatalysatorer for deres midterposition på det periodiske system). De kombinerede hver med svovl, forventer, at de nye forbindelser ville have aktive steder langs deres basalplaner.

Det viste sig, at brintet, der blev produceret langs flyene, gjorde noget uventet for at gøre materialerne endnu mere effektive. "Processen genererer brintbobler mellem lagene, som begynder at skille dem ad, "Yakobson sagde." Dette gør lagene mere tilgængelige og øger antallet af aktive websteder. "

De flerlagede blodplader, der udgør begge katalysatorer, blev tyndere, mindre og mere spredt, efterhånden som de selvoptimerede, observerede forskerne. Den udtynding forkortede den vej, elektronerne skal rejse, hvilket sænkede ladningsoverførselsmodstanden.

Liu sagde ydeevneforbedringer i begge elektrokatalysatorer var direkte relateret til ændringer i materialernes fysiske form på trods af ingen observerede ændringer i deres kemiske eller krystalegenskaber.

"Dette arbejde er en god kombination af teori og eksperiment, " sagde Liu, som begyndte projektet under et 2013-stipendium hos Lawrence Livermore. "Vi analyserede først, hvorfor de gamle katalysatorer - molybdæn og wolframdichalcogenider - ikke fungerer godt, og brugte denne forståelse til at forudsige nye katalysatorer. Vi henvendte os derefter til vores eksperimentelle kolleger, som med succes har lavet og testet materialerne og verificeret vores forudsigelser."

Yakobson sagde, at Lius metode til modellering af materialet kan være lige så vigtig som selve materialet. "Yuanyue skabte faktisk en ny stenografisk måde at evaluere den katalytiske ydeevne på, " sagde han. "Den gammeldags måde var direkte at beregne bindingsenergien af ​​reaktanten, som brint, til overfladen. I stedet, vi valgte egenskaben for selve katalysatoren til at fungere som beskrivelsen – uden at skulle bekymre os om, hvad der blev absorberet.

"Dette værk er et sjældent eksempel på Materials Genome Initiative i aktion, "sagde han." Teorien udvikler en deskriptor til hurtig søgning blandt mange materielle muligheder og for at fremskynde opdagelse sammenlignet med forsøg med fejl og forsøg. "Initiativet er et føderalt program til at fremskynde opdagelsen og implementeringen af ​​avancerede materialer.

Forskerne forventer, at materialernes selvoptimerende adfærd vil have praktiske fordele ved skalerbar behandling.

"At finde overfladeaktive katalysatorer i lagdelte materialer er et væsentligt skridt fremad for brintproduktion ved hjælp af ikke-ædelmetalkatalysatorer, " sagde medforfatter Lou, en professor i materialevidenskab og nanoteknik og i kemi. "Det er også meget vigtigt, at sådanne overfladeaktiviteter kan verificeres direkte eksperimentelt, baner vejen for fremtidige ansøgninger."