En katalytisk balancegang for opdeling af vand i hydrogen og ilt

Balance danner grundlaget for et lykkeligt liv eller en sund kost. For forskere, der arbejder med at designe nye katalysatorer til at skabe vedvarende energi, balancering af forskellige materialer og deres egenskaber er lige så vigtig. (Katalysatorer hjælper med at fremskynde kemiske reaktioner.)

I en ny undersøgelse, forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, Johns Hopkins University, Drexel University og flere universiteter i Sydkorea brugte en ny og kontraintuitiv tilgang til at skabe en bedre katalysator, der understøtter en af ​​reaktionerne ved spaltning af vand i brint og ilt. Forskere planlægger at bruge det genererede brint som et rent brændstof.

Ved først at oprette en legering af to af de tætteste naturligt forekommende elementer og derefter fjerne et, forskerne omformede det resterende materiales struktur, så det bedre afbalancerede tre faktorer, der er vigtige for kemiske reaktioner:aktivitet, stabilitet og ledningsevne.

"At finde et materiale, der fungerer godt til energiomdannelse eller opbevaring, er som at skabe et lykkeligt ægteskab, "sagde Nenad Markovic, en Argonne materialeforsker og forfatter til undersøgelsen. "I vores tilfælde, vi fandt ud af, at et dynamisk partnerskab mellem to forskellige materialer hjalp os med at integrere konkurrerende bekymringer. "

Forskere, der leder efter nye katalysatorer, har gennemsøgt det periodiske system for at finde de rigtige elementer eller kombinationer af elementer for at maksimere katalysatorens aktivitet i vandopdelende reaktioner, samt holdbarheden af ​​de aktive steder på dens overflade. At finde materialer, der er både stabile og aktive, imidlertid, har været en udfordring.

"Mere aktive katalysatorer har en tendens til at være mindre stabile, "Sagde Markovic." Dem, der ser ud til at fungere dobbelt så godt, fungerer normalt kun halvt så længe. Det er ved at blive indlysende, at design af aktive katalysatorer ikke er nok - vi skal ikke kun have aktive, men også stabil, materialer. "

For den nye katalysator, Markovic og hans kolleger vendte sig til iridium, et metal, der oftest er forbundet med meteoritter. Som en tynd film, iridium er katalytisk aktivt, men da den reagerer over tid med et elektrolytmiljø, iridiumatomer oxideres. Under denne proces, nogle af dem forlader katalysatorens overflade gennem korrosion, forringer i stigende grad dens ydeevne.

Forskergruppen arbejdede på at forhindre oxidation ved at reorganisere iridiums struktur. For at hjælpe med at stabilisere og aktivere iridium, de legerede det med sin nabo på det periodiske system, osmium.

I modsætning til iridium, osmium er hverken katalytisk aktivt eller stabilt, men det gav en vigtig fordel. Efter at have legeret osmium og iridium sammen, forskerne aflegerede derefter de to metaller, efterlader kun en rekonfigureret struktur af tredimensionelle iridium-nanoporer.

"Uden osmium, iridium ville aldrig opnå denne tilstand, "Markovic sagde." Vi var nødt til at introducere og derefter fjerne osmium for at få en form for iridium, der var både aktiv og stabil. "

Markovic sagde, at hver nanopores forbedrede katalytiske stabilitet skyldes, at det lille volumen elektrolyt i en pore hurtigt bliver mættet med iridiumioner, så overfladeatomer holder op med at opløses, på nogenlunde samme måde, som det er lettere at mætte en tekop vand med sukker end en 10-gallon kande.

Mens nanopores struktur adresserede behovet for en stabil, aktiv katalysator, det var en anden facet af iridiums rekonfiguration, der hjalp med at øge materialets elektronledningsevne. Under driftsbetingelser, den porøse katalysator danner faktisk en unik skal af mindre ledende iridiumoxid omkring dets stærkt ledende iridiummetalinteriør. Denne måde, elektroner kan let bevæge sig gennem det meste af katalysatoren for at nå overfladen, hvor vandmolekylet venter på elektroner for at starte den vandopdelende reaktion.

"Grundlæggende, vi forsøger at finde en måde at sende elektroner igennem på 'motorvejen, 'snarere end at få dem til at tage sidevejene, "Sagde Markovic." Denne core-shell-konfiguration [af det nanoporøse materiale] giver os mulighed for at gøre det. "

Studiet, "Balanceaktivitet, stabilitet og ledningsevne af nanoporøse kerneskal-iridium/iridiumoxid-oxygenudviklingskatalysatorer, "optrådte i 13. november -udgaven af Naturkommunikation .