Høje reaktionshastigheder selv uden ædle metaller

Nanopartikler af ikke-ædelmetal kan en dag erstatte dyre katalysatorer til brintproduktion. Imidlertid, det er ofte svært at afgøre, hvilke reaktionshastigheder de kan opnå, især når det kommer til oxidpartikler. Dette skyldes, at partiklerne skal fastgøres til elektroden ved hjælp af et bindemiddel og ledende additiver, som forvrænger resultaterne. Ved hjælp af elektrokemiske analyser af individuelle partikler, Det er nu lykkedes forskere at bestemme aktiviteten og stofomdannelsen af ​​nanokatalysatorer fremstillet af koboltjernoxid - uden bindemidler. Holdet ledet af professor Kristina Tschulik fra Ruhr-Universität Bochum rapporterer sammen med kolleger fra universitetet i Duisburg-Essen og fra Dresden i Journal of the American Chemical Society , offentliggjort online den 30. maj 2019.

"Udviklingen af ​​ikke-ædelmetalkatalysatorer spiller en afgørende rolle i realiseringen af ​​energiomstillingen, da kun de er billige og tilgængelige i tilstrækkelige mængder til at producere de nødvendige mængder vedvarende brændstoffer, " siger Kristina Tschulik, et medlem af Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Brint, en lovende energikilde, kan således erhverves ved at spalte vand i brint og ilt. Den begrænsende faktor her har hidtil været den delreaktion, hvor ilt produceres.

Bedre end reaktionshastigheder, der i øjeblikket opnås i industrien

Hvor effektivt koboltjernoxidpartikler er i stand til at katalysere iltdannelse, blev undersøgt af forskerne i det aktuelle arbejde. De analyserede mange individuelle partikler efter hinanden. Kemikerne tillod en partikel at katalysere iltdannelse på overfladen af ​​elektroden og målte strømmen fra denne, som giver information om reaktionshastigheden. "Vi har målt strømtætheder på flere kiloampere pr. kvadratmeter, " siger Tschulik. "Dette er over de reaktionshastigheder, der i øjeblikket er mulige i industrien."

Holdet viste, at for partikler mindre end ti nanometer, strømstrømmen er afhængig af partikelstørrelsen - jo mindre katalysatorpartiklen er, jo mindre strøm. Strømmen er også begrænset af den ilt, der produceres i reaktionen, og som diffunderer væk fra partikeloverfladen.

Ekstremt stabil trods høj stress

Efter katalyseforsøgene, kemikerne observerede katalysatorpartiklerne under transmissionselektronmikroskopet. "På trods af de høje reaktionsrater, dvs. selvom partiklerne havde skabt så meget ilt, de ændrede sig næsten ikke, " siger Tschulik. "Stabiliteten under ekstreme forhold er enestående."

Analysemetoden, der anvendes i det aktuelle arbejde, kan også overføres til andre elektrokatalysatorer. "Det er vigtigt at finde ud af mere om nanokatalysatorernes aktiviteter for effektivt at kunne videreudvikle ikke-ædelmetalkatalysatorer til fremtidens vedvarende energiteknologier, " siger den Bochum-baserede kemiker. For at analysere effekten af ​​partikelstørrelsen på den katalytiske aktivitet, det er vigtigt at syntetisere nanopartikler med defineret størrelse. Som en del af University Alliance Ruhr, Bochum-teamet arbejder tæt sammen med forskere fra University of Duisburg-Essen ledet af professor Stephan Schulz, der producerer katalysatorpartiklerne.