En vandspaltende katalysator ulig nogen anden

Elektricitet kan genereres af vedvarende kilder som sollys og vind, derefter brugt til at spalte vand, som gør brint som brændstof til nye energienheder såsom brændselsceller. Fordi brint er et rent brændstof, forskere gør en stor indsats for at udvikle vandspaltende katalysatorer, som er afgørende for reaktionens energieffektivitet.

Fokus er mest på den såkaldte oxygen evolution-reaktion (OER), hvilket uden tvivl er den mest udfordrende proces i vandspaltning. Efter mange års intens forskning, nikkel-jernoxid er nu etableret som go-to-katalysator for OER under alkaliske forhold på grund af dets høje aktivitet og jordrige sammensætning, og også fordi det har den højeste aktivitet pr. reaktionssted blandt alle metaloxider.

For omkring tre år siden, forskere med laboratoriet i Xile Hu ved EPFL opdagede en anden katalysator, der var betydeligt mere aktiv end nikkel-jernoxid, selvom den havde en lignende sammensætning. Den er robust, let at syntetisere, og åben for industrielle applikationer.

Opdagelsen blev ledet af Fang Song, en postdoc i Hus gruppe, som siden er kommet til fakultetet på Shanghai Jiaotong University i Kina. I erkendelse af dets teknologiske potentiale, Hu, Sang, og deres kollega Elitsa Petkucheva begyndte at teste katalysatoren i et proof-of-concept-projekt. Katalysatoren muliggjorde en effektiv elektrolysator, der kunne arbejde under industrielle forhold, mens den krævede 200 mV mindre spænding.

Men den nye katalysator var også ukonventionel med hensyn til kemi. "Vi havde ingen anelse om, hvorfor katalysatoren ville være så aktiv, "siger Hu. Så hans team henvendte sig til gruppen af ​​Clemence Corminboeuf på EPFL for at få hjælp. Arbejde med sin postdoc, Michael Busch, Corminboeuf brugte density functional theory (DFT) beregninger til at søge efter mulige teoretiske forklaringer. DFT er en beregningsmæssig, kvantemekanisk metode, der modellerer og studerer strukturen af ​​mange-kropssystemer, f.eks. atomer, og molekyler.

Resultatet var radikalt:Den nye katalysators høje aktivitet stammer fra en samvirkende virkning af to faseadskilte komponenter af jern- og nikkeloxider, som overvandt en tidligere identificeret begrænsning af konventionelle metaloxider, hvor reaktionen fandt sted lokalt på kun et enkelt metalsted. De kaldte det den bifunktionelle mekanisme.

Mens den DFT-afledte mekanisme var hypotetisk, den vejledte eksperimentelle undersøgelser af katalysatorens aktivitet og egenskaber med Benedikt Lassalle-Kaiser hos Synchrotron SOLEIL i Frankrig. Brug af røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), arbejdet afslørede tegn på to faseseparerede jern- og nikkeloxider i katalysatoren. Men fordi katalysatorer kan gennemgå sammensætningsmæssige og strukturelle ændringer under katalyse, det blev nødvendigt at undersøge katalysatoren i drift med XAS.

I en omfattende operando XAS-undersøgelse, Chen og hans kandidatstuderende, Chia-Shuo Hsu, afslørede en unik struktur af katalysatoren - den er lavet af nanoclusters af γ-FeOOH kovalent bundet til en γ-NiOOH-understøtning, hvilket gør det til en jern-nikkeloxid-katalysator, i modsætning til det konventionelle nikkel-jernoxid. Selvom det ikke er et direkte bevis, denne struktur er kompatibel med den DFT-foreslåede bifunktionelle mekanisme.

"Dette er en virkelig tværfaglig undersøgelse, der involverer mange frugtbare samarbejder, " siger Hu. "De grundlæggende undersøgelser giver ikke kun indsigt i strukturen og aktiviteten af ​​denne ukonventionelle katalysator, men også føre til en tankevækkende mekanistisk hypotese."