Operando-spektroskopi giver et vindue til vandoxidation

Iridiumoxidkatalysatorer er effektive til vandoxidation, hvilket gør dem meget attraktive for grønne teknologier. Et hold med forskere fra SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research) ved Osaka University har derfor kigget nærmere på, hvordan de arbejder endnu.

I en undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society holdet brugte spektroskopi til at afsløre, hvordan de kemiske arter involveret i iridiumoxid-katalyseret oxygenudviklingsreaktion (OER) interagerer med opløsningen omkring dem.

OER er vigtig i mange rene energiprocesser, såsom at omdanne kuldioxid til brugbare flydende brændstoffer og generere grøn brint fra elektrolyse af vand. Begge processer vil være afgørende i en fremtid uden fossile brændstoffer. Derfor er en grundig forståelse af OER et vigtigt forskningsfokus.

Katalytiske processer kan være komplekse med forskellige mellemtyper involveret i at komme fra udgangsmaterialet til det ønskede produkt. Operando-teknikker gør det muligt at undersøge disse mellemprodukter ved hjælp af spektroskopi under reaktionen, hvilket giver et vindue til, hvad der rent faktisk sker.

Ved hjælp af en elektrode med en iridiumoxidoverflade undersøgte forskerne oxidationen af ​​vandmolekyler i opløsninger med forskellige pH-værdier.

"Interaktion mellem elektrodeoverfladen og de iltede mellemprodukter er nøglen til effektiviteten af ​​OER, så optimering af katalysatormaterialet har generelt været i fokus," forklarer seniorforfatter Reshma R. Rao fra Imperial College London.

"Men observationerne til dato har efterladt ubesvarede spørgsmål, så vi har kigget nærmere på løsningssiden af ​​grænsefladen ved hjælp af operando UV-Vis spektroskopi, røntgenabsorptionsspektroskopi og overfladeforstærket infrarød spektroskopi."

For at opnå en effektiv reaktion skal binding af reaktionsmellemprodukter til elektroden være helt rigtig, så mellemprodukterne kan interagere med elektroden, men ikke være så stærk, at de sætter sig fast på elektroden og ikke kan reagere. Forskerne fandt ud af, at bindingen blev kontrolleret af langsigtede interaktioner mellem mellemprodukterne gennem opløsningen, og dette afhang af pH.

Under alkaliske forhold påvirkede vand nær elektroden langrækkende interaktioner mellem de iltede arter, hvilket påvirkede deres binding til overfladen. Så selvom mellemprodukterne bindes stærkere ved højere pH, destabiliserer interaktionerne lettet af grænsefladevand de iltede arter og tillader reaktionen at finde sted.

"Ved at bruge operandospektroskopi og komplementære teknikker til at få et direkte blik på de involverede arter har vi givet os mulighed for at udvide forståelsen af ​​katalysatorydelse ud over elektrodebinding," siger seniorforfatter Yu Katayama. "Vi tror på, at en sådan indsigt vil være nøglen til at optimere OER'ens kinetik."

Resultaterne vil bidrage til at øge effektiviteten af ​​vandoxidation til grøn brintproduktion. Derudover kan det være nyttigt at kombinere operandospektroskopi med komplementære teknikker til at forstå katalysen af ​​mange andre processer.

Flere oplysninger: Caiwu Liang et al., Role of Electrolyte pH on Water Oxidation for Iridium Oxides, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12011

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Osaka University