Undersøgelse viser, at justering af et lag atomer på en katalysatoroverflade kan få det til at fungere bedre

Forskere, der fremstillede en nikkelbaseret katalysator, der bruges til fremstilling af brintbrændstof, byggede den et atomlag ad gangen for at få fuld kontrol over dens kemiske egenskaber. Men det færdige materiale opførte sig ikke, som de forventede:Da en version af katalysatoren gik i gang, det øverste lag af atomer omarrangeret for at danne et nyt mønster, som om de firkantede fliser, der dækker et gulv, pludselig var skiftet til sekskanter.

Men det er okay, de rapporterede i dag, fordi forståelse og kontrol af denne overraskende transformation giver dem en ny måde at tænde og slukke for katalytisk aktivitet og gøre gode katalysatorer endnu bedre.

Forskerholdet, ledet af forskere fra Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, beskrev deres undersøgelse i Naturmaterialer i dag.

"Katalysatorer kan ændre sig meget hurtigt i løbet af en reaktion, og at forstå, hvordan de transformerer sig fra en inaktiv fase til en aktiv fase, er afgørende for at designe mere effektive katalysatorer, " sagde Will Chueh, en efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC, der ledede undersøgelsen. "Denne transformation giver os det, der svarer til en knap, vi kan dreje for at finjustere deres adfærd."

Spaltning af vand for at lave brintbrændstof

Katalysatorer hjælper molekyler med at reagere uden at blive forbrugt i reaktionen, så de kan bruges igen og igen. De er rygraden i mange enheder med grøn energi.

Denne særlige katalysator, lanthan nikkeloxid eller LNO, bruges til at spalte vand til brint og ilt i en reaktion drevet af elektricitet. Det er det første skridt i at generere brintbrændstof, som har et enormt potentiale for at lagre vedvarende energi fra sollys og andre kilder i en flydende form, der er energirig og nem at transportere. Faktisk, flere producenter har allerede produceret elbiler drevet af brintbrændselsceller.

Men dette første skridt er også det sværeste, sagde Michal Bajdich, en teoretiker ved SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis ved SLAC, og forskere har ledt efter billige materialer, der vil udføre det mere effektivt.

Da reaktioner finder sted på en katalysators overflade, forskere har forsøgt at konstruere disse overflader præcist, så de kun fremmer én specifik kemisk reaktion med høj effektivitet.

Byggematerialer et atomlag ad gangen

Den LNO, der blev undersøgt i denne undersøgelse, tilhører en klasse af lovende katalytiske materialer kendt som perovskiter, opkaldt efter et naturligt mineral med en lignende atomstruktur.

Christoph Baeumer, som kom til SLAC som Marie Curie Fellow fra Aachen Universitet i Tyskland for at udføre undersøgelsen, fremstillet LNO i det, der er kendt som en epitaksial tynd film - en film dyrket i atomisk tynde lag på en måde, der skaber et ekstraordinært præcist arrangement af atomer.

At dele sin tid mellem Californien og Tyskland, Baeumer lavede to versioner af filmen ved forskellige temperaturer - en med en nikkel-rig overflade og en anden med en lanthan-rig overflade. Derefter kørte forskerholdet alle versionerne gennem vandspaltningsreaktionen for at sammenligne, hvor godt de klarede sig.

"Vi var overraskede over at opdage, at filmene med nikkelrige overflader udførte reaktionen dobbelt så hurtigt, " sagde Baeumer.

Tuning af en katalysators overflade for bedre ydeevne

For at finde ud af hvorfor, holdet tog filmene til DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory, hvor en gruppe ledet af Slavomir Nemsak så på deres atomare struktur med røntgenstråler ved den avancerede lyskilde.

"Det var overraskende, at forskellen mellem den 'gode' og den 'dårlige' katalysator kun var i det sidste atomlag af filmene, " sagde Nemsak. Disse undersøgelser afslørede også, at i film med nikkelrige overfladelag, der blev fremstillet ved køligere temperaturer, det øverste lag af atomer transformeret på et tidspunkt under vandspaltningsreaktionen, og dette nye arrangement øgede den katalytiske aktivitet.

I mellemtiden Jiang Li, en postdoc forsker og teoretiker ved SUNCAT, udførte beregningsstudier af dette meget komplekse system ved hjælp af Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Hans konklusioner stemte overens med de eksperimentelle resultater, forudsige, at versionen af ​​katalysatoren med den transformerede overflade - fra et kubisk mønster til et sekskantet - ville være den mest aktive og stabile.

Bajdich sagde, "Er omdannelsen af ​​den nikkelrige overflade drevet af den måde, hvorpå katalysatoren fremstilles, eller ved forandringer det undergår, mens det udfører vandspaltningsreaktionen? Det er meget svært at svare på. Det ser ud til, at begge dele skal ske."

Selvom denne særlige katalysator ikke er den bedste i verden til at spalte vand til brint og ilt, han sagde, Det er vigtigt at opdage, hvordan en overfladetransformation øger dens aktivitet, og det kan potentielt også gælde for andre materialer.

"Hvis vi kan låse op for hemmelighederne bag denne transformation, så vi nøjagtigt kan tune den, " han sagde, "så kan vi udnytte dette fænomen til at lave meget bedre katalysatorer i fremtiden."