Bedre katalysator for solcelledrevet brintproduktion

(Phys.org) — Hydrogen er et "grønt" brændstof, der brænder rent og kan generere elektricitet via brændselsceller. En måde at producere brint på bæredygtigt er ved at spalte vandmolekyler ved hjælp af sollysets vedvarende energi, men videnskabsmænd lærer stadig at kontrollere og optimere denne reaktion med katalysatorer. Ved National Synchrotron Light Source, en forskergruppe har fastlagt nøglestrukturel information om en potentiel katalysator, tage et skridt i retning af at designe et ideelt materiale til jobbet.

På grund af den mekaniske og elektriske kompleksitet af vandspaltningsreaktionen, der er mange krav, for at en katalysator kan fungere optimalt. Forskere skal forstå ikke kun en kandidats lokale molekylære struktur, men også dens struktur over længere intervaller - især nanoskalaen, som plejer at være en god indikator for et materiales elektroniske adfærd og derfor dets overordnede katalytiske aktivitet.

Forskere fokuserer i stigende grad på en bestemt gruppe af katalysatorer:kobolt-baserede tynde film. Disse film skabes via elektroaflejring fra vandige opløsninger af kobolt blandet med en elektrolyt. I dette studie, forskere fra Columbia University, Harvard Universitet, og Brookhaven Lab brugte røntgenstråler til bedre at forstå strukturen i mellemområdet i nanoskalaen af ​​en af ​​disse film. De undersøgte også de strukturelle forskelle mellem film dyrket ved hjælp af to elektrolytter:fosfat, en negativ phosphor-ilt-ion, og borat, negativ en bor-oxygen-ion. De resulterende film er betegnet CoPi og CoBi, henholdsvis.

Røntgenspredningsdata fra CoPi- og CoBi-prøverne, taget ved NSLS beamline X7B, indikerer, at begge er nanokrystallinske. Det betyder, at de består af korn i nanoskala, hver spænder fra omkring 1,5 til 3 nanometer (nm) i størrelse med en ordnet molekylær struktur. Bortset fra dette, der er klare og vigtige forskelle.

CoBi-filmene består af 3-4 nm cobalat (cobalt-oxygen) klynger, der stables pænt op til tre lag dybt. CoPi-filmene består af væsentligt mindre klynger, der ikke stables på en ordnet måde.

Disse strukturelle forskelle synes at hænge sammen med filmenes katalytiske aktivitet. Elektrokemiske data viser, at efterhånden som filmtykkelsen øges, CoBi-filmene var mere aktive end CoPi og viste i sidste ende en "betydeligt overlegen" præstation. Disse resultater tyder på, at stigningen i CoBi-filmtykkelse også øger det effektive overfladeareal, der er tilgængeligt for katalyse, samtidig med at filmenes ladningstransportegenskaber bevares.

"Vores resultater viser en konkret forskel mellem CoBi og CoPi, dermed tillade den første indsigt i en håndgribelig struktur-funktion korrelation, " sagde Harvard-kemiker og professor Daniel Nocera.

Gruppen planlægger yderligere undersøgelser for at udforske nogle relaterede spørgsmål, såsom arten af ​​ladningstransport mellem CoBi-lagene og filmenes adfærd over intervaller, der er længere end nanoskalaen.