Ny metode giver mere stabil, effektive elektrokatalytiske reaktioner

Northwestern University-forskere har udviklet en mere effektiv og stabil metode til at udføre elektrokatalytiske reaktioner.

Teknikken, som fluidiserer katalysatorpartikler i elektrolytten i stedet for at lime dem til elektroder, undgår et hurtigt fald i reaktionsevnen - et fænomen, forskerne kalder træthed. Tilgangen kunne forbedre produktionsprocesser til elektrolyse og elektrokemisk energiomdannelse og lagring.

"Der har været en omfattende indsats for at finde nye højtydende katalysatorer, der også bedre kan modstå elektrokemiske reaktioner, " sagde Jiaxing Huang, professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering, der ledede forskningen. "Vi udviklede en drastisk anderledes tilgang til at gøre elektrokatalyse mindre tilbøjelig til at henfalde - ikke ved at finde et andet nyt materiale, men ved at reagere anderledes."

Studiet, med titlen "Fluidiseret elektrokatalyse, " blev offentliggjort den 10. februar i tidsskriftet CCS kemi og med på forsiden af ​​februarnummeret.

I et typisk elektrokatalysemiljø, når katalytiske materialer er limet på elektroden, de er gennemblødt i elektrolyt og gennemgår en reaktion ansporet af en spænding. Da spændingen konstant påføres gennem elektroden, materialerne oplever kontinuerlig elektrokemisk stress. Over tid, deres katalytiske ydeevne kan forfalde på grund af akkumuleret strukturel skade i elektroden som helhed, eller på individuelle partikler.

Holdets tilgang undgår den kontinuerlige stress ved at fluidisere partiklerne i elektrolytten. Nu arbejder partiklerne i rotation, oplever kun kortvarigt elektrokemisk stress, når den kolliderer med elektroden. I fællesskab outputtet fra de enkelte kollisionshændelser smelter sammen til en kontinuerlig og stabil elektrokemisk strøm.

"Fluidiseret elektrokatalyse bryder det rumlige og tidsmæssige kontinuum af elektrokemiske reaktioner, gør katalysatorerne mere effektive." Huang sagde. "Fluidisering reducerer også massetransportgrænsen for reaktanterne til katalysatoren, da partiklerne svømmer i elektrolytten."

Huang testede sine ideer ved hjælp af en velkendt, kommercielt tilgængelig katalysator kaldet Pt/C, som er lavet af kulsort pulver dekoreret af platinnanopartikler for at katalysere iltudvikling, brint udvikling, og methanoloxidationsreaktioner. Disse tre elektrokemiske reaktioner, når det katalyseres af Pt/C, lider normalt af alvorligt nedsat ydeevne, men alle viste højere effektivitet og stabilitet, når partiklerne blev fluidiseret.

"Den nye strategi får en ustabil katalysator til at levere stabil ydeevne for alle tre modelreaktioner. Det var et spændende proof-of-concept, " sagde Yi-Ge Zhou, avisens første forfatter og en tidligere gæstende postdoc i Huangs gruppe. "Da vi beregnede enkeltpartikeleffektivitet for nogle af disse reaktioner, det var mindst tre størrelsesordener højere end de fikserede partikler. I stedet for at stresse dem, vi gav partiklerne en chance for at slappe af, og de blev meget mere effektive som et resultat."

Mens der er behov for mere arbejde for at identificere de typer af elektrokemiske reaktioner, der bedst kan maksimere fordelen ved fluidiseret elektrokatalyse, Huang mener, at hans metode kan anvendes på en række forskellige typer materialer og producere mere effektivt, længerevarende elektrokatalytiske reaktioner. Dette kan føre til forbedrede elektrokemiske synteseprocesser, som spiller en vigtig rolle i at omdanne energi til kemikalier til storskala energilagring.

"Jeg håber, at andre forskere overvejer vores metode til at revurdere deres katalysatorer. Det ville være spændende at se tidligere anset for ubrugelige katalysatorer blive brugbare, " sagde Huang.