Metalkatalysatorer, der bruges til miljømæssig bæredygtighed, viste sig at nedbrydes og blive mindre effektive

Ny forskning viser, at nogle bittesmå katalysatorer, der overvejes til industriel skalering af miljøsaneringsindsatser, kan være ustabile under drift.

Kemikere fra University of Waterloo studerede strukturer af komplekse katalysatorer kendt som "nanoskala elektrokatalysatorer" og fandt ud af, at de ikke er så stabile som forskere engang troede. Når elektricitet strømmer igennem dem under brug, atomerne kan omarrangere. I nogle tilfælde, fandt forskerne, elektrokatalysatorer nedbrydes fuldstændigt.

At forstå hvorfor og hvordan denne omlægning og nedbrydning sker, er det første skridt til at bruge disse nanoskalaelektrokatalysatorer i miljøsaneringsindsatser såsom fjernelse af atmosfærisk kuldioxid og forurening af grundvand og omdanne dem til produkter af højere værdi, såsom brændstoffer.

"Nuværende elektrokatalysatorer er afhængige af komplekse nanoskala strukturer for at optimere deres effektivitet, "sagde Anna Klinkova, en professor i Waterloos Institut for Kemi. "Det vi fandt, imidlertid, er, at disse komplekse nanomaterialers overlegne ydeevne ofte koster en gradvis strukturel nedbrydning, da der er en afvejning mellem deres effektivitet og stabilitet. "

Klinkova og hendes team opdagede, at omlægningen af ​​atomer i katalysatoren var afhængig af metaltypen, strukturel form, og katalysatorens reaktionsbetingelser.

De identificerede to årsager til omlægningerne. Nogle små molekyler kan midlertidigt fastgøre til overfladen af ​​katalysatoren og reducere den energi, der er nødvendig for, at et atom kan bevæge sig over overfladen. I andre tilfælde, smalle områder i katalysatoren koncentrerer elektronens strøm, får metalatomerne til at fortrænge via en proces kaldet elektromigration.

Elektromigration er tidligere blevet identificeret inden for mikroelektronik, men det er første gang, det er blevet forbundet med nanoskala katalysatorer.

Disse fund danner en ramme for vurdering af strukturel stabilitet og kortlægning af den ændrede geometri af nanoskala katalysatorer, hvilket er et vigtigt skridt til at designe bedre katalysatorer i fremtiden.

"Disse strukturelle effekter kan bruges som en af ​​designreglerne i fremtidig katalysatorudvikling for at maksimere deres stabilitet, "Klinkova sagde." Du kan også med vilje foranledige rekonstruktion til en anden struktur, der bliver aktiv, når reaktionen starter. "

Studiet, "Samspil mellem elektrokemiske og elektriske effekter fremkalder strukturelle transformationer i elektrokatalysatorer, "blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkatalyse.