Nye materialer:En vippekontakt til katalyse

Elektrokemi spiller en stadig vigtigere rolle:Uanset om det er brændselsceller, elektrolyse eller kemisk energilagring, kemiske reaktioner styret af elektrisk strøm anvendes. Det afgørende i alle disse applikationer er, at reaktionerne er så hurtige og effektive som muligt.

Et vigtigt skridt fremad er nu taget af et hold fra TU Wien (Wien) og DESY i Hamborg:De viste, at et specielt materiale lavet af lanthan, strontium, jern og ilt kan skiftes frem og tilbage mellem to forskellige tilstande:I den ene tilstand er materialet katalytisk ekstremt aktivt, i den anden mindre. Årsagen til dette er opførselen af ​​små jernnanopartikler på overfladen, som nu er blevet demonstreret i forsøg på den tyske elektronsynkrotron DESY i Hamborg. Denne konstatering skulle nu gøre det muligt at udvikle endnu bedre katalysatorer. Resultatet er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Elektrisk spænding får oxygenioner til at migrere

"Vi har brugt perovskiter til vores elektrokemiske eksperimenter i årevis, " siger prof. Alexander Opitz fra Institute of Chemical Technologies and Analytics. "Perovskites er en meget forskelligartet klasse af materialer, nogle af dem er fremragende katalysatorer." Perovskitternes overflade kan hjælpe med at bringe visse reaktanter i kontakt med hinanden - eller til at adskille dem igen. "Fremst perovskitter har den fordel, at de er permeable for oxygenioner. Derfor, de kan lede elektrisk strøm, og det udnytter vi."

Når en elektrisk spænding påføres perovskitten, oxygenioner frigives fra deres plads i krystallen og begynder at migrere gennem materialet. Hvis spændingen overstiger en vis værdi, dette fører til, at jernatomer i perovskitten også migrerer. De bevæger sig til overfladen og danner små partikler der, med en diameter på kun få nanometer. I det væsentlige, disse nanopartikler er fremragende katalysatorer.

"Det interessante er, at hvis man vender den elektriske spænding, den katalytiske aktivitet falder igen. Og indtil videre var årsagen til dette uklar, " siger Alexander Opitz. "Nogle mennesker havde mistanke om, at jernatomerne simpelthen ville migrere tilbage til krystallen, men det er ikke sandt. Når virkningen finder sted, jernatomerne behøver slet ikke at forlade deres plads på materialets overflade."

Analyse med røntgen hos DESY

Forskerholdet på TU Wien samarbejdede med et team på Electron Synchrotron i Hamborg (DESY) om præcist at analysere strukturen af ​​nanopartiklerne med røntgenstråler, mens de kemiske processer finder sted. Det viste sig, at nanopartiklerne skifter frem og tilbage mellem to forskellige tilstande - afhængigt af den påførte spænding:"Vi kan skifte jernpartiklerne mellem en metallisk og en oxidisk tilstand, " siger Opitz. Den påførte spænding bestemmer, om iltionerne i materialet pumpes mod jernnanopartiklerne eller væk fra dem. Dette gør det muligt at kontrollere, hvor meget ilt der er indeholdt i nanopartiklerne, og afhængig af mængden af ​​ilt, nanopartiklerne kan danne to forskellige strukturer - en iltrig, med lav katalytisk aktivitet, og en iltfattig, dvs metallisk, som er katalytisk meget aktiv.

"Dette er et meget vigtigt fund for os, " siger han. "Hvis skiftet mellem de to tilstande var forårsaget af nanopartiklernes jernatomer, der diffunderede tilbage i krystallen, meget høje temperaturer ville være nødvendige for at få denne proces til at køre effektivt. Nu hvor vi forstår, at aktivitetsændringen ikke er relateret til diffusionen af ​​jernatomer, men til ændringen mellem to forskellige krystalstrukturer, vi ved også, at forholdsvis lave temperaturer kan være tilstrækkeligt. Dette gør denne type katalysator endnu mere interessant, fordi den potentielt kan bruges til at accelerere teknologisk relevante reaktioner."

Fra brint til energilagring

Denne katalytiske mekanisme skal nu undersøges nærmere, også til materialer med lidt forskellige sammensætninger. Det kan øge effektiviteten af ​​mange applikationer. "Dette er især interessant for kemiske reaktioner, der er vigtige i energisektoren, " siger Opitz. "F.eks. når det kommer til produktion af brint eller syntesegas, eller til energilagring ved at producere brændstof med elektrisk strøm."