Stabile katalysatorer for ny energi

På vej til en CO ₂ -neutral økonomi, vi er nødt til at perfektionere en lang række teknologier – inklusive elektrokemisk udvinding af brint fra vand, brændstofceller, eller kulstoffangst. Alle disse teknologier har én ting til fælles:de virker kun, hvis der bruges passende katalysatorer. I mange år, forskere har derfor undersøgt, hvilke materialer der er bedst egnede til dette formål.

På TU Wien og Comet Center for Electrochemistry and Surface Technology CEST i Wiener Neustadt, en unik kombination af forskningsmetoder er tilgængelig til denne form for forskning. Sammen kunne forskere nu vise:At lede efter den perfekte katalysator handler ikke kun om at finde det rigtige materiale, men også om dens orientering. Afhængigt af den retning, en krystal skæres i, og hvilke af dens atomer, den således præsenterer for omverdenen på overfladen, dens adfærd kan ændre sig dramatisk.

Effektivitet eller stabilitet

"For mange vigtige processer inden for elektrokemi, ædelmetaller bruges ofte som katalysatorer, såsom iridiumoxid eller platinpartikler, " siger prof. Markus Valtiner fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien (IAP). I mange tilfælde er der tale om katalysatorer med særlig høj effektivitet. der er også andre vigtige punkter at overveje:Stabiliteten af ​​en katalysator og materialernes tilgængelighed og genanvendelighed. Det mest effektive katalysatormateriale er til ringe nytte, hvis det er et sjældent metal, opløses efter kort tid, undergår kemiske ændringer eller bliver ubrugelig af andre årsager.

Af denne grund, Andet, mere bæredygtige katalysatorer er af interesse, såsom zinkoxid, selvom de er endnu mindre effektive. Ved at kombinere forskellige målemetoder, det er nu muligt at vise, at effektiviteten og stabiliteten af ​​sådanne katalysatorer kan forbedres væsentligt ved at studere, hvordan overfladen af ​​katalysatorkrystallerne er opbygget på atomær skala.

Det hele afhænger af retningen

Krystaller kan have forskellige overflader:"Lad os forestille os en terningformet krystal, som vi skærer i to, " siger Markus Valtiner. "Vi kan skære terningen lige igennem midten for at skabe to kuboider. Eller vi kan skære det nøjagtigt diagonalt, i en 45 graders vinkel. De snitflader, som vi får i disse to tilfælde, er forskellige:Forskellige atomer er placeret i forskellig afstand fra hinanden på snitfladen. Derfor, disse overflader kan også opføre sig meget anderledes i kemiske processer".

Zinkoxidkrystaller er ikke kubeformede, men danner honeycomb-lignende sekskanter - men det samme princip gælder her, også:Dens egenskaber afhænger af arrangementet af atomerne på overfladen. "Hvis du vælger den helt rigtige overfladevinkel, der dannes mikroskopisk små trekantede huller, med en diameter på kun få atomer, " siger Markus Valtiner. "Brintatomer kan binde sig der, kemiske processer finder sted, der understøtter spaltning af vand, men samtidig stabilisere selve materialet”.

Forskerholdet har nu været i stand til at bevise denne stabilisering for første gang:"Ved katalysatoroverfladen, vand opdeles i brint og ilt. Mens denne proces er i gang, vi kan tage væskeprøver og undersøge, om de indeholder spor af katalysatoren, " forklarer Markus Valtiner. "For at gøre dette, væsken skal først kraftigt opvarmes i et plasma og nedbrydes til individuelle atomer. Så adskiller vi disse atomer i et massespektrometer og sorterer dem, element for element. Hvis katalysatoren er stabil, vi skulle næppe finde nogen atomer fra katalysatormaterialet. Ja, vi kunne ikke påvise nogen nedbrydning af materialet ved de atomare trekantstrukturer, da hydrogen blev produceret." Denne stabiliserende effekt er overraskende stærk - nu arbejder teamet på at gøre zinkoxid endnu mere effektivt og overføre det fysiske princip for denne stabilisering til andre materialer .

Unikke forskningsmuligheder for transformation af energisystemer

Atomiske overfladestrukturer er blevet undersøgt på TU Wien i mange år. "På vores institut, disse trekantede strukturer er først blevet demonstreret og teoretisk forklaret for år siden, og nu er vi de første til at demonstrere deres betydning for elektrokemi, ", siger Markus Valtiner. "Det er fordi vi er i den unikke situation her, hvor vi er i stand til at kombinere alle de nødvendige forskningstrin under ét tag - fra prøveforberedelse til simulering på supercomputere, fra mikroskopi i ultrahøjt vakuum til praktiske test i realistiske miljøer."

"Dette samarbejde mellem forskellige specialiteter under ét tag er unikt, og vores store fordel ved at være en global leder inden for forskning og undervisning på dette område, siger Carina Brunnhofer, studerende på IAP.

"I løbet af de næste ti år, vi vil udvikle stabile og kommercielt levedygtige systemer til vandspaltning og CO ₂ reduktion baseret på metodologisk udvikling og en grundlæggende forståelse af overfladekemi og fysik, " siger Dominik Dworschak, den første forfatter til den nyligt offentliggjorte undersøgelse. "Imidlertid, mindst en bæredygtig fordobling af den nuværende effekt skal opnås parallelt, " bemærker Markus Valtiner. "Vi er derfor på en spændende vej, hvor vi kun vil nå vores klimamål gennem konsekvente, tværsektoriel forskning og udvikling.