Den grundlæggende kemi bag elektrokatalytisk vandspaltning

Overgang til en bæredygtig energiøkonomi kræver elektrokatalytiske metoder til at konvertere elektrisk energi til kemisk energi og råstoffer. Et team af forskere fra TU Berlin, ETH Zürich, National Research Council — Institute of Materials of Trieste, og ledet af FHI har nu afsløret reaktionsmekanismen for en stor flaskehals i disse processer, oxygenudviklingsreaktionen. Resultaterne offentliggøres i Natur .

Elektrokatalytisk iltudvikling, den kritiske halvreaktion ved vandspaltning, er en keystone -teknologi i overgangen til en økonomi i vedvarende energi. Dette er fordi, efterhånden som andelen af ​​ikke-afsendelige vedvarende energikilder (såsom vind- og solenergi) stiger, energilagringsløsninger er nødvendige for at absorbere periodiske strømudsving og sikre en pålidelig energiforsyning. Af disse, konvertering af elektrisk energi til kemiske brændstoffer ved hjælp af protoner og elektroner er blandt de mest fleksible, da kemiske brændstoffer kan bruges, når og hvor de er nødvendige.

En stor forhindring, imidlertid, har fundet elektrokatalysatorer til samtidig omdannelse af vand til molekylært oxygen, oxygenudviklingsreaktionen, der giver protoner og elektroner til at lave disse brændstoffer. I bestræbelserne på at udvikle forbedrede elektrokatalysatorer, eksperter har længe antaget, at den elektrokatalytiske oxygenudviklingsreaktion kan forstås ved hjælp af en veletableret, årtier gammel teori udviklet til at beskrive ikke-katalytiske elektronoverførselsreaktioner. Forskergruppen besluttede at teste disse antagelser og fandt overraskende, at iltudviklingsreaktionen faktisk ligner mere traditionel termokatalyse end tidligere antaget. Dette gør det muligt at anvende værktøjer og koncepter udviklet til at beskrive traditionelle termiske katalysatorer på deres elektrokemiske modstykker for første gang.

"Det er vigtigt at forstå den grundlæggende videnskab bag elektrokatalysatorer for at forbedre dem i fremtiden. Det blev mere og mere klart for os, at det traditionelle billede af, hvad der driver elektrokatalytiske reaktioner, var ufuldstændigt, "forklarer Peter Strasser, en af ​​medforfatterne fra det tekniske universitet i Berlin. Han tilføjede, "Forskere antager typisk, at iltudviklingsreaktionen styres af den direkte virkning af det elektriske potentiale på reaktionskoordinaten. Det er et meget anderledes billede end termokatalyse, hvor kemisk bindingsdannelse og -brud styrer hastigheden gennem overfladekemi."

I en undersøgelse offentliggjort i Natur , holdet rapporterer, hvordan en af ​​de mest succesrige klasser af iltudviklingskatalysatorer, iridiumoxider, fungerer. De udførte synkrotron-baseret operando-røntgenspektroskopi ved BESSY II i Berlin og Petra III i Hamborg for at studere, hvordan iridiumoxider opfører sig under elektrokatalytisk oxygenudvikling. Disse eksperimenter lader dem samtidig overvåge det elektriske potentiale og overfladekemi. De tog det, de lærte i disse eksperimenter, for at bygge modeller i atomskala af katalysatoroverfladerne, som blev brugt i kvantemekaniske simuleringer af reaktionen på High Performance Computing Center i Stuttgart.

"Simuleringerne viste, at reaktionshastigheden eksponentielt afhænger af overfladedækningen af ​​den oxidative ladning, i overensstemmelse med målingerne, "siger Travis Jones fra Fritz Haber Institute.

"Simuleringerne fangede også ændringen i Tafel -hældningen, et centralt træk ved iridiumoxid, og tilskrev det en ændring i reaktionen af ​​den oxidative ladning på potentialet, frem for en ændring i mekanismen, som tidligere antaget, " forklarer Simone Piccinin, en medforfatter fra National Research Council—Institute of Materials of Trieste, Italien. Disse undersøgelser fik forskerne til at mistænke, at reaktionen var styret af overfladekemi snarere end potentialet, der virkede direkte på reaktionskoordinaten.

Ved at udvikle en laboratoriebaseret metode til at kvantificere ladningsakkumulering var holdet i stand til at screene en række materialer og fandt ud af, at de alle viste den samme adfærd. Detre Teschner fra Fritz Haber Institute forklarer:"Det så ud til, at potentialets rolle var at oxidere overfladen, og at ladningen, der akkumuleres gennem denne oxidation, styrede reaktionshastigheden på samme måde som ved termisk katalyse."

Efter at have set, at ladningen så ud til at mediere den elektrokatalytiske hastighed, søgte forskerne et middel til at kontrollere katalysatorladningen uafhængigt af potentialet til at teste deres fund. "Vi havde brug for en kemisk måde at ændre, hvor meget ladning katalysatorerne kunne lagre og indså hurtigt, at vi kunne gøre det ved at erstatte noget af iltet på overfladen med klor, da klor ikke kan oxideres for at lagre ekstra ladning, "siger Javier Pérez-Ramírez fra ETH Zürich.

Zürich-teamet brugte deres ekspertise inden for halogenkemi til at fremstille en række katalysatorer med varierende mængder af klor. Som forventet, ladningen katalysatorerne kunne opbevare varierede med mængden af ​​klor på dem. Elektrokatalytisk test af disse nye materialer bekræftede deres adfærd i oxygenudviklingsreaktionen og matchede teamets forudsigelser. "At se, hvordan ændring af en katalysators evne til at lagre ladning forudsigeligt ændrede dens katalytiske aktivitet, gav os tillid til resultaterne. Vi forventer, at dette resultat gælder for en stor klasse af elektrokatalysatorer, og vi planlægger at bruge denne nye viden til at designe og teste nye materialer, "siger Travis Jones fra Fritz Haber Institute.