Katalytisk aktivitet af individuelle cobaltoxidnanopartikler bestemt

Ædelmetalfri nanopartikler kunne tjene som kraftfulde katalysatorer i fremtiden, for eksempel til brintproduktion. For at optimere dem, forskere skal kunne analysere de enkelte partiklers egenskaber. En ny metode til dette er blevet foreslået af et hold fra Center for Elektrokemi ved Ruhr-Universität Bochum (RUB) og Institut for Uorganisk Kemi ved Universitetet i Duisburg-Essen (UDE).

Gruppen udviklede en metode ved hjælp af en robotarm, der giver dem mulighed for at udvælge individuelle partikler under et elektronmikroskop og placere dem på en nanoelektrode til elektrokemisk analyse. Metoden er beskrevet i journalen Angewandte Chemie , offentliggjort online på forhånd 19. november 2020.

Brug af en robotarm til at afsætte nanopartikler på elektroden

Til studierne, forskerne brugte sekskantformede partikler af koboltoxid med diametre på 180 til 300 nanometer, som Duisburg-Essen-teamet bestående af professor Stephan Schulz og Sascha Saddeler havde syntetiseret. I forsøget partiklerne katalyserede den såkaldte oxygenudviklingsreaktion. Under elektrolyse af vand, der dannes brint og ilt, hvor det begrænsende trin i denne proces i øjeblikket er den partielle reaktion, hvori oxygenet dannes. Mere effektive katalysatorer til oxygenudviklingsreaktionen ville forenkle effektiviteten for elektrokemisk vandspaltning under dannelse af brint. Nanopartikelkatalysatorer formodes at hjælpe med dette. Da deres katalytiske aktivitet ofte afhænger af deres størrelse eller form, det er vigtigt at forstå de enkelte partiklers egenskaber for at finde de optimale katalysatorer.

Bochum-teamet bestående af Thomas Quast, Dr. Harshitha Barike Aiyappa, Dr. Patrick Wilde, Dr. Yen-Ting Chen og professor Wolfgang Schuhmann analyserede udvalgte koboltoxidpartikler først mikroskopisk, derefter elektrokemisk. "Ved at bruge en bevægelig robotarm, vi kan udvælge individuelle nanopartikler under elektronmikroskopet, Schuhmann forklarer. "Den valgte partikel, som vi da allerede mikroskopisk kender, vi placerer på en lille elektrode for at teste, hvad den kan gøre som katalysator." Forskerne bruger derefter elektrokemiske metoder til at måle dens katalytiske aktivitet for iltudviklingsreaktionen.

Høj katalytisk aktivitet

På denne måde kemikerne analyserede flere individuelle partikler. Da de kendte størrelsen og krystalorienteringen af ​​en partikel, de var i stand til at relatere den katalytiske aktivitet til antallet af koboltatomer. "Her, partiklerne viste bemærkelsesværdigt høje aktiviteter i oxygenudviklingsreaktionen, og de målte strømtætheder oversteg kommercielt tilgængelige alkaliske elektrolysatorer med mere end 20 gange, siger Stephan Schulz.

"Vi mener, at ved at anvende den foreslåede metode, enkeltpartikelanalyse af katalysatormaterialer har endelig nået punktet for pålidelig og forholdsvis enkel prøveforberedelse og karakterisering, som er afgørende for at etablere struktur-funktion relationer, " skriver forfatterne afslutningsvis.