Metoden undersøger hurtigt atomtynde materialers evne til at producere brint

Rice University-forskere har kigget dybt i atom-tykke katalysatorer, der producerer brint for at se præcis, hvor det kommer fra. Deres resultater kunne fremskynde udviklingen af ​​2-D materialer til energianvendelser, såsom brændselsceller.

Materialforskeren Jun Lous rislaboratorium, med kolleger ved Los Alamos National Laboratory, udviklet en teknik til at sondere gennem bittesmå "vinduer" skabt af en elektronstråle og måle den katalytiske aktivitet af molybdændisulfid, et todimensionelt materiale, der viser lovende for applikationer, der bruger elektrokatalyse til at udvinde brint fra vand.

Indledende test af to varianter af materialet viste, at det meste af produktionen kommer fra de tynde plader' kanter. Forskerne rapporterede deres resultater denne måned i Avancerede materialer .

Forskere vidste allerede, at kanterne på 2-D-materialer er, hvor den katalytiske virkning er, så enhver information, der hjælper med at maksimere den, er værdifuld, Sagde Lou.

"Vi bruger denne nye teknologi til at identificere de aktive websteder, der længe har været forudsagt af teori, "sagde han." Der var et indirekte bevis på, at kantstederne altid er mere aktive end basalplanene, men nu har vi et direkte bevis."

De sondbærende mikrochips udviklet i Los Alamos og metoden skabt af Lou og hovedforfatter Jing Zhang, en Rice postdoc forsker, åbne en vej til hurtig screening af potentielle hydrogenudviklingsreaktionskandidater blandt todimensionelle materialer.

"Størstedelen af ​​materialet er på overfladen, og du ønsker, at det skal være en aktiv katalysator, snarere end kun kanten, " sagde Lou. "Hvis reaktionen kun sker på kanten, du mister fordelen ved at have hele overfladearealet leveret af en 2-D geometri."

Laboratoriet testede molybdændisulfidflager med forskellige krystallinske strukturer kendt som "1T prime" (eller forvrænget oktaedrisk) og 2H (trigonal prismatisk). "De er dybest set det samme materiale med den samme kemiske sammensætning, men deres atomers positioner er forskellige, " sagde Lou. "1T prime er metallisk og 2H er en halvleder."

Han sagde, at forskere hidtil eksperimentelt har bevist, at den mere ledende 1T prime var katalytisk langs hele overfladearealet, men Rice-undersøgelsen viste, at det ikke var helt nøjagtigt. "Vores resultater viste, at 1T prime edge altid er mere aktiv end basalplanet. Det var en ny opdagelse, " han sagde.

Efter fremstilling af flagerne via kemisk dampaflejring, Zhang brugte en elektronstrålefordampningsmetode til at afsætte elektroder til individuelle flager. Han tilføjede derefter et isolerende lag af poly(methylmethacrylat), en gennemsigtig termoplast, og brændte et mønster af "vinduer" i det inaktive materiale gennem e-beam litografi. Det gjorde det muligt for forskerne at undersøge både kanter og basale planer af 2-D-materialet, eller bare bestemte kanter, ved submikron opløsning.

De 16 sonder på den tomme kvadratiske chip bygget ved Los Alamos pulserer energi ind i flagerne gennem vinduerne. Når der produceres brint, den undslipper som en gas, men stjæler en elektron fra materialet. Det skaber en strøm, der kan måles gennem elektroderne. Prober kan adresseres individuelt eller alle på én gang, giver forskere mulighed for at få data for flere steder på en enkelt flage eller fra flere flager.

Hurtig test vil hjælpe forskere med at ændre deres mikroskopiske materialer mere effektivt for at maksimere basalplanernes katalytiske aktivitet. "Nu er der incitament til at udnytte styrken af ​​dette materiale - dets overfladeareal - som en katalysator, " sagde Lou. "Dette bliver en meget god screeningsteknik til at fremskynde udviklingen af ​​2-D materialer."