At gøre katalytiske overflader mere aktive for at hjælpe med at dekarbonisere brændstoffer og kemikalier

Elektrokemiske reaktioner, der accelereres ved hjælp af katalysatorer, er kernen i mange processer til fremstilling og brug af brændstoffer, kemikalier, og materialer - herunder lagring af elektricitet fra vedvarende energikilder i kemiske bindinger, en vigtig evne til at dekarbonisere transportbrændstoffer. Nu, forskning ved MIT kunne åbne døren til måder at gøre visse katalysatorer mere aktive, og dermed øge effektiviteten af ​​sådanne processer.

En ny produktionsproces gav katalysatorer, der femdoblede effektiviteten af ​​de kemiske reaktioner, potentielt muliggør nyttige nye processer inden for biokemi, organisk kemi, miljøkemi, og elektrokemi. Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Naturkatalyse , i et papir af Yang Shao-Horn, en MIT professor i maskinteknik og i materialevidenskab og teknik, og medlem af Research Lab of Electronics (RLE); Tao Wang, en postdoc i RLE; Yirui Zhang, en kandidatstuderende i Institut for Maskinteknik; og fem andre.

Processen involverer at tilføje et lag af det, der kaldes en ionisk væske mellem en guld- eller platinkatalysator og et kemisk råmateriale. Katalysatorer fremstillet med denne metode kunne potentielt muliggøre meget mere effektiv omdannelse af brintbrændstof til at drive enheder såsom brændselsceller, eller mere effektiv omdannelse af kuldioxid til brændstoffer.

"Der er et presserende behov for at dekarbonisere, hvordan vi driver transport ud over lette køretøjer, hvordan vi laver brændstoffer, og hvordan vi laver materialer og kemikalier, " siger Shao-Horn, understreger den presserende opfordring til at reducere kulstofemissioner, der fremhæves i den seneste IPCC-rapport om klimaændringer. Denne nye tilgang til at forbedre katalytisk aktivitet kunne give et vigtigt skridt i den retning, hun siger.

Brug af brint i elektrokemiske enheder såsom brændselsceller er en lovende tilgang til dekarbonisering af felter såsom luftfart og tunge køretøjer, og den nye proces kan være med til at gøre sådanne anvendelser praktiske. På nuværende tidspunkt iltreduktionsreaktionen, der driver sådanne brændselsceller, er begrænset af dens ineffektivitet. Tidligere forsøg på at forbedre denne effektivitet har fokuseret på at vælge forskellige katalysatormaterialer eller modificere deres overfladesammensætning og struktur.

I denne forskning, imidlertid, i stedet for at modificere de faste overflader, holdet tilføjede et tyndt lag mellem katalysatoren og elektrolytten, det aktive materiale, der deltager i den kemiske reaktion. Det ioniske væskelag, de fandt, regulerer aktiviteten af ​​protoner, der hjælper med at øge hastigheden af ​​de kemiske reaktioner, der finder sted på grænsefladen.

Fordi der er et stort udvalg af sådanne ioniske væsker at vælge imellem, det er muligt at "tune" protonaktivitet og reaktionshastighederne til at matche den energi, der er nødvendig for processer, der involverer protonoverførsel, som kan bruges til at lave brændstoffer og kemikalier gennem reaktioner med ilt.

"Protonaktiviteten og barrieren for protonoverførsel er styret af det ioniske væskelag, og så er der en stor tuneability med hensyn til katalytisk aktivitet for reaktioner, der involverer proton- og elektronoverførsel, " siger Shao-Horn. Og effekten frembringes af et forsvindende tyndt lag af væsken, kun et par nanometer tyk, over hvilket er et meget tykkere lag af væsken, der skal gennemgå reaktionen.

"Jeg synes, dette koncept er nyt og vigtigt, " siger Wang, avisens første forfatter, "fordi folk ved, at protonaktiviteten er vigtig i mange elektrokemiske reaktioner, men det er meget udfordrende at studere." Det er fordi i et vandmiljø, der er så mange interaktioner mellem nabovandmolekyler involveret, at det er meget svært at adskille, hvilke reaktioner der finder sted. Ved at bruge en ionisk væske, hvis ioner hver kun kan danne en enkelt binding med mellemmaterialet, blev det muligt at studere reaktionerne i detaljer, ved hjælp af infrarød spektroskopi.

Som resultat, Wang siger, "Vores fund fremhæver den kritiske rolle, som grænsefladeelektrolytter, især den intermolekylære hydrogenbinding, kan bidrage til at øge aktiviteten af ​​den elektrokatalytiske proces. Det giver også grundlæggende indsigt i protonoverførselsmekanismer på et kvantemekanisk niveau, som kan skubbe grænserne for at vide, hvordan protoner og elektroner interagerer ved katalytiske grænseflader."

"Arbejdet er også spændende, fordi det giver folk et designprincip for, hvordan de kan tune katalysatorerne, " siger Zhang. "Vi har brug for nogle arter lige ved et 'sweet spot' - ikke for aktive eller for inaktive - for at øge reaktionshastigheden."

Med nogle af disse teknikker, siger Reshma Rao, en nyligt ph.d.-kandidat fra MIT og nu en postdoc ved Imperial College, London, som også er medforfatter til avisen, "Vi ser op til en femdobling af aktiviteten. Jeg synes, den mest spændende del af denne forskning er den måde, den åbner op for en helt ny dimension i den måde, vi tænker om katalyse." Marken havde ramt "en slags vejspærring, " hun siger, i at finde måder at designe bedre materialer på. Ved at fokusere på væskelaget frem for overfladen af ​​materialet, "det er en helt anden måde at se dette problem på, og åbner en helt ny dimension, en helt ny akse, langs hvilken vi kan ændre tingene og optimere nogle af disse reaktionshastigheder."