Undersøgelsen afslører detaljer om, hvordan en udbredt katalysator spalter vand

En krystallinsk forbindelse kaldet rutheniumdioxid er meget udbredt i industrielle processer, hvor det er særligt vigtigt for at katalysere en kemisk reaktion, der spalter vandmolekyler og frigiver ilt. Men den nøjagtige mekanisme, der finder sted på dette materiales overflade, og hvordan den reaktion påvirkes af orienteringen af ​​krystaloverfladerne, var aldrig blevet fastlagt i detaljer. Nu, et team af forskere ved MIT og flere andre institutioner har for første gang været i stand til direkte at studere processen på atomniveau.

De nye resultater rapporteres i denne uge i tidsskriftet Naturkatalyse , i et papir af MIT professor Yang Shao-Horn, nyuddannede studerende Reshma Rao, Manuel Kolb, Livia Giordano og Jaclyn Lunger, og 10 andre på MIT, Argonne National Laboratory, og andre institutioner.

Arbejdet involverede mange års samarbejde og en iterativ proces mellem atom-for-atom computermodellering af den katalytiske proces, og præcisionseksperimenter, herunder nogle ved hjælp af et unikt synkrotron røntgenanlæg i Argonne, som tillader atom-skala sondering af materialets overflade.

"Jeg synes, det spændende aspekt af arbejdet er, at vi flytter en lille smule grænsen for vores forståelse af katalysen af ​​spaltning af vand, " siger Shao-Horn. "Vi forsøger at lære, hvad der sker på overfladens iltsteder under reagerende forhold, et kritisk skridt i retning af at definere de aktive steder til spaltning af vand."

Den katalytiske proces, kendt som oxygenudviklingsreaktionen, er afgørende for at producere brint og ammoniak til energiforbrug, fremstilling af syntetiske kulstofneutrale brændstoffer, og fremstilling af metaller af metaloxider. Og pt. rutheniumdioxidoverflader er "guldstandarden for katalysatorer til vandspaltning, " ifølge Shao-Horn.

Mens processen med at spalte vand for at adskille oxygenatomer fra deres to vedhæftede brintatomer på en katalysators overflade kan virke ligetil, på molekylært niveau, Rao siger, "denne grænseflade er ret kompliceret. Du har et rigtig stort antal vandmolekyler, og din overflade kan være fuldstændig uordnet og have flere processer, der sker på samme tid." For at give mening ud af det hele, "det første, vi gør, er at reducere kompleksiteten ved at have virkelig veldefinerede enkeltkrystaloverflader", hvor den nøjagtige placering af hvert atom er blevet bestemt ved hjælp af synkrotronrøntgenspredning til at sondere overfladen.

"Ved at bruge denne teknik, vi kan dybest set zoome ind på det øverste lag, " hun siger, og så kan de variere den spænding, der påføres overfladen for at se, hvordan vandoxidationsprocessen påvirkes. I den nye undersøgelse, fordi forskerne havde bestemt aktiviteten og reaktionsstederne for forskellige overfladeorienteringer af krystallen, de var i stand til at inkorporere den information i deres molekylære modellering på computeren. Dette gjorde det muligt for dem at få mere indsigt i energien af ​​reaktioner, der finder sted ved specifikke atomare konfigurationer på overfladen.

Hvad de fandt var, at "det er meget mere spændende, "Fordi der ikke kun er ét websted, der er ansvarlig for reaktionen, siger Rao. "Det er ikke sådan, at hvert websted er identisk, men du har forskellige websteder, der kan spille forskellige roller" i sættet af trin i reaktionen. Forskellige hastighedsbestemmende trin kan være mulige, med de relative vandspaltningshastigheder påvirket af orienteringen af ​​de eksponerede krystalgitterflader, og den nye indsigt kan hjælpe med at optimere måden, hvorpå katalysatorer fremstilles, for at optimere reaktionshastighederne.

Rao siger, at forståelse på et molekylært niveau påvirkningen af ​​disse subtile forskelle kunne hjælpe med at designe fremtidige katalysatorer, der kunne overgå de højeste aktivitetsniveauer, der ville blive forudsagt af de traditionelle metoder til at beskrive elektroniske strukturer.

Shao-Horn tilføjer, at mens deres undersøgelse specifikt kiggede på rutheniumdioxid, det modelleringsarbejde, de udførte, kunne anvendes på en række forskellige katalytiske processer, som alle involverede lignende reaktioner med at bryde og genskabe kemiske bindinger gennem interaktioner med aktive steder på materialets overflade.

Modelleringen af ​​overfladeaktivitet kunne bruges til at hjælpe med at screene nye potentielle katalytiske materialer for en række forskellige reaktioner, hun siger, for eksempel at finde materialer, der bruger mindre af sjældne, dyre elementer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.