Ny tilgang skaber en enestående enkeltatomskatalysator til vandopdeling

En ny måde at forankre individuelle iridiumatomer til overfladen af ​​en katalysator øgede dens effektivitet ved opdeling af vandmolekyler til rekordniveauer, forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University rapporterede i dag.

Det var første gang, denne tilgang var blevet anvendt på oxygenudviklingsreaktionen, eller OER - del af en proces kaldet elektrolyse, der bruger elektricitet til at opdele vand i brint og ilt. Hvis den drives af vedvarende energikilder, elektrolyse kunne producere brændstoffer og kemiske råvarer mere bæredygtigt og reducere brugen af ​​fossile brændstoffer. Men det langsomme tempo i OER har været en flaskehals for at forbedre effektiviteten, så den kan konkurrere på det åbne marked.

Resultaterne af denne undersøgelse kan lette flaskehalsen og åbne nye veje for at observere og forstå, hvordan disse enkeltatomskatalytiske centre fungerer under realistiske arbejdsforhold, sagde forskerholdet.

De offentliggjorde deres resultater i dag i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Industriel rygrad

Katalysatorer er rygraden i den kemiske industri og løfter om en bæredygtig energifremtid. Ligesom matchmakers, de griber molekyler fra en forbipasserende strøm af væske eller gas og tilskynder dem til at reagere med hinanden, uden selv at blive fortæret. For at maksimere effektiviteten af ​​denne proces, katalysator -nanopartikler er typisk spredt på overfladen af ​​et porøst materiale, der tilbyder det størst mulige overfladeareal for mange reaktioner, der kan finde sted samtidigt.

Men kun atomerne på ydersiden af ​​en nanopartikel kan deltage i katalyse; de indre går til spilde. Når katalysatoren er et dyrt ædelmetal som iridium eller platin, selv en lille mængde affald er dyrt. Så forskere har arbejdet på at bruge individuelle atomer af disse ædle metaller i stedet. Hvert atom er et katalytisk reaktionscenter. Deres lille størrelse betyder, at mange flere af dem kan passe på overfladen af ​​en given understøtningsstruktur. Dette øger i høj grad mængden af ​​aktiv katalysator, der udsættes for reaktanterne, og antallet af reaktioner, der kan finde sted på én gang, øge effektiviteten.

I dette studie, et team ledet af SLAC/Stanford professor Yi Cui og SLAC -videnskabsmand Michal Bajdich udviklede en ny måde at forankre individuelle iridiumatomer på en understøttende overflade. Stanford postdoktorale forskere Xueli Zheng og Jing Tang udførte forsøget, hjulpet af teoretisk simulering af røntgendata fra SLAC-associerede medarbejder Alessandro Gallo, der afslørede hvilken konfiguration, der ville være den mest stabile og effektive.

Atom-for-atom forankring

For at lave den nye katalysator, forskere lavede først en porøs struktur til at understøtte iridiumatomer, der ville katalysere reaktionen.

De udsatte denne skumlignende struktur for en opløsning indeholdende iridiumforbindelser, frøs det hurtigt for at skabe en tynd, iridium-rigt islag på overfladen, og foretog yderligere behandling for at skabe velfordelte steder, hvor individuelle iridiumatomer var tæt forankret på den understøttende overflade.

Røntgenobservationer af katalysatoren på arbejdet afslørede, at iridiumatomerne var i en kemisk tilstand, der gør dem usædvanligt effektive til at udføre den del af den vandopdelende reaktion, der frigiver ilt.

Andre tests viste, at denne forbedrede aktivitet udelukkende skyldtes, at iridium var i form af enkelt, isolerede atomer, og ikke kun til det store overfladeareal, de var indlejret på.

Den resulterende katalysator er bedre end de fleste af de iridium-baserede katalysatorer, der hidtil er kendt, rapporterede forskerne. De sagde, at dette nye atomforankringssystem giver en ideel model til sondering og etablering af forbindelsen mellem katalysatorer og deres støttestrukturer til en række forskellige elektrokatalytiske reaktioner.