Forskere tager røntgenmål for at opdage ny brændstofkatalysator

I mange år, forskere har ledt efter en effektiv og effektiv måde at omdanne vand til energilagrende brændstoffer ved hjælp af sol- og vinddrevet elektricitet, sandsynligvis ved at opdele vand i brint og ilt. At gøre dette, de har ledt efter katalysatorer for at få disse vandspaltningsreaktioner til at ske.

Forskere har i nogen tid vidst, at oxider af mange metaller, herunder det velkendte jernoxid kaldet rust, er i stand til at fungere som vandspaltende katalysatorer, især når metaloxidernes atomer er organiseret i små klynger. Imidlertid, aktiviteten af ​​disse klynger, eller domæner, kan variere enormt afhængigt af deres strukturer.

I en ny undersøgelse af en beslægtet gruppe af koboltoxider, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory forsøgte at fastslå, hvorfor to lignende katalysatorer med noget forskellige domænestørrelser opførte sig forskelligt.

"Vores forskergruppe ønskede virkelig at forstå, hvorfor koboltoxider, der kun kan kontrolleres til at variere, hvad angår deres domænestruktur, har så forskellige vandspaltende aktiviteter, "sagde kemiker David Tiede, Distinguished Fellow i Argonne's Chemical Sciences and Engineering division. "At forstå dette ville give en måde at forstå vandspaltende katalyse for metaloxider mere generelt."

I undersøgelsen, Tiede og hans kolleger udnyttede Argonnes Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM), sammen med SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), alle DOE Office of Science brugerfaciliteter. De kombinerede en lang række forskellige røntgenteknikker og CNM's elektronmikroskopifunktioner for at undersøge disse domæner i atomskalaen.

"Det spændende ved denne forskning er, at vi har taget en virkelig multimodal tilgang, der kombinerer kraften i bløde og hårde røntgenstråler, "Sagde Tiede.

Tiede og andre forskere fremlagde et papir om undersøgelsen i Journal of the American Chemical Society , denne sommer.

"Resonant røntgenteknikker er et kraftfuldt værktøj til at levere et væld af struktur og elektronisk information om metaloxidkatalysatorer, især når de er strukturelt dårligt definerede, "tilføjede Argonne røntgenfysiker Jung Ho Kim, hvem var blandt disse forfattere.

Forskergruppen kunne vise, at forskellene i katalytisk aktivitet styres af konduktivitet i atomskalaen.

Når koboltoxiddomæner dannet i nærvær af borat, forskerne så, at elektroner bevægede sig relativt hurtigt og problemfrit gennem materialet. Når koboltoxider dannet med fosfat, imidlertid, elektriske ladninger kunne ikke migrere så let.

Årsagen til denne forskel, Tiede forklarede, er, at koboltatomer i koboltboratet kan dele elektroner med hinanden i det, forskere kalder hybridorbitaler. "Grundlæggende, du kan tænke på hybridorbitalerne i koboltborat som værende som sociale medier på internettet, der henviser til, at orbitalerne i koboltphosphat er som fastnet -telefoner, "Sagde Tiede." Information kan rejse hurtigere gennem altid tilsluttede netværksforbindelser. "

Tilstedeværelsen af ​​hybridorbitalerne i koboltborat gør materialet til en bedre vandspaltende katalysator end koboltphosphat, selvom sidstnævnte har mere aktive katalytiske steder. "At være i stand til at flytte ladningerne til de aktive steder bliver nøglefaktoren for at bestemme effektiviteten af ​​katalysatoren, "Sagde Tiede.

Ved undersøgelse af de to koboltoxider, Tiede og hans team fandt noget andet overraskende. Typisk, vandspaltningsprocessen kræver bindingsbrydende og bindingsskabende trin, der er de mest udfordrende dele af katalysen, men i dette tilfælde, at få nok ladning til de aktive websteder viste sig at være den sværeste del. "At få gebyrer til webstederne hurtigt nok er en vigtig designparameter, som vi skal lære at kontrollere, "Sagde Tiede.

Kombination af ladningsmobilitet med vandopdelingseffektivitet vil være afgørende for at udvikle en katalysator, der effektivt kan omdanne vand til elektricitet. "Du kan få verdens største klimaanlæg, men hvis ledningerne i dit hus er forfærdelige, du får det ikke til at fungere ordentligt, "Tiede tilføjet." Det vandopdelende sted laver mange komplicerede ting, men hvis den ikke får nok strøm, det kommer ikke til at gøre særlig meget. "

Papiret baseret på undersøgelsen, "Opløsning af elektroniske og strukturelle faktorer, der ligger til grund for oxygenudviklende ydeevne i amorfe koboltoxidkatalysatorer, "dukkede op i 20. juli -udgaven af Journal of the American Chemical Society .