Forskere viser, at chirale oxidkatalysatorer justerer elektronspin

Styring af elektronernes spin åbner op for fremtidige scenarier for anvendelser inden for spin-baseret elektronik (spintronik), for eksempel inden for databehandling. Det giver også nye muligheder for at kontrollere selektiviteten og effektiviteten af ​​kemiske reaktioner. Forskere præsenterede for nylig de første succeser med eksemplet med vandopdeling til fremstilling af "grøn" brint og ilt. Et fælles projekt, der involverer arbejdsgrupper fra Center for Soft Nanoscience ved University of Münster (Tyskland) og fra Institute of Chemistry ved University of Pittsburgh (Pennsylvania; Prof. David Waldeck) har nu til opgave at fremme den systematiske udvikling af spin -selektive katalysatormaterialer.

Til dette formål relaterer forskerne den katalytiske aktivitet af forskellige uorganiske spin-polariserende materialer til direkte målinger af spin-selektiviteten. Fokus er på oxidmaterialer, som bevidst blev dyrket med en chiral struktur. Derudover ønsker forskerne også at undersøge oprindelsen af ​​spinpolarisering i disse chirale materialer. Resultaterne af en indledende undersøgelse af chirale kobberoxidlag er nu blevet offentliggjort i ACS Nano journal.

Resultaterne kort

Holdet af tyske og amerikanske forskere undersøgte først chirale oxidkatalysatorer - i dette tilfælde bestående af tynde chirale kobberoxidlag på en tynd film af guld. De målte data viser, at elektronernes spinpolarisering afhænger af, hvilket af disse lag elektronerne kommer fra. Holdet anser to effekter for at være ansvarlige for dette:den chiralitetsinducerede spinselektivitet (CISS) effekt og det magnetiske arrangement i de chirale lag. Resultaterne skal hjælpe i den fremtidige produktion af spin-selektive katalytiske oxidmaterialer og dermed forbedre effektiviteten af ​​kemiske reaktioner.

Eksemplet med brændselsceller:Uønsket elektronspin reducerer effektiviteten

I brændselsceller reagerer brint og ilt med hinanden og danner vand, hvorved der frigives elektrisk energi. Brinten kan tidligere være blevet produceret gennem den omvendte proces, der nedbryder vandmolekyler til brint og oxygen. Den energi, der kræves til dette, kan leveres gennem elektrisk strøm fra regenerative energikilder eller direkte gennem sollys, så brint i fremtiden kan tjene som energikilde i et energikredsløb, der er designet til at være CO₂ -neutral.

Det, der holder enhver storstilet kommercialisering af konceptet tilbage – for eksempel i elektriske køretøjer, der kører på brændselsceller – er blandt andet den lave effektivitet. Der skal bruges meget energi på at nedbryde vandmolekylerne, hvilket betyder, at det på nuværende tidspunkt er billigere at bruge denne energi direkte til at genoplade et bilbatteri. Denne lavere effektivitet i nedbrydning af vandmolekyler er ikke kun en konsekvens af den høje overspænding, der er nødvendig for at udvikle oxygen ved anoden af ​​elektrolysecellen, men også af produktionen af ​​uønskede biprodukter såsom hydrogenperoxid og elektronisk exciteret oxygen. På grund af deres høje reaktivitet kan disse biprodukter også angribe elektrodematerialet. Begge biprodukter forekommer i en såkaldt singlet-tilstand, hvor spin af elektronerne involveret i de molekylære bindinger er justeret i antiparallel tilstand til hinanden. I det produkt, der ønskes fra reaktionen - ilt i den elektroniske grundtilstand - er dette ikke tilfældet, fordi det danner en triplettilstand med spins justeret parallelt, og således at generere kun én spin-retning hjælper med at nå frem til denne ønskede ilttilstand.

Ny tilgang:Oxidkatalysator producerer det ønskede elektronspin

Dette er en ny tilgang, fordi den indebærer, at centrifugeringerne af radikalerne, der er adsorberet på overfladerne af katalysatorerne, hvorfra biprodukterne dannes, justeres parallelt. En sådan parallel justering af elektronspindene kan opnås ved at bruge et chiralt materiale. I dette tilfælde kan overførslen af ​​elektroner gennem elektroderne som følge af CISS-effekten eller gennem den strukturelle ændring i oxidet være spin-selektiv. Som følge heraf undertrykkes dannelsen af ​​molekyler i den uønskede singlet-tilstand, og hydrogenudbyttet øges.

Mens forskere med succes demonstrerede den spin-selektive katalyse, er der stadig ingen fuldstændig forståelse af oprindelsen af ​​CISS-effekten. Den spin-selektive transmission af elektroner gennem spiralformede - og derfor også chirale - molekyler er blevet demonstreret. Nyere undersøgelser viser imidlertid, at spin-selektiv transmission også forekommer i uorganiske, ikke-molekylære chirale materialer. Inorganic, spin-filtering surfaces are more stable, chemically, than chiral molecular layers and permit greater current densities in the context of spin-selective catalysis.

The current study in detail

In the study now published, lead author Paul Möllers, a Ph.D. student at Münster University, examined chiral copper oxide films with a thickness of just a few nanometers which had previously been electrochemically deposited in a chiral form onto thin gold substrates by researchers from Pittsburgh. UV laser pulses were used to stimulate photoelectrons from the samples and their mean spin polarization was measured (in a spin polarimeter based on "Mott scattering"). Depending on whether the samples were hit from the oxide-covered front side or from the reverse side, in the process electrons with different energies were emitted from the gold substrate or from the oxide films themselves, in different proportions. By correlating the energy distribution with the spin polarization values measured, the Münster researchers showed that the electrons from both layers are polarized to different extents.

The electrons from the gold substrate are filtered, as regards their spin, by the CISS effect as they pass through the chiral layer. The electrons from the chiral copper oxide display an opposite spin polarization, and in the case of films with a thickness of more than 40 nanometers, there is a preponderance of these copper oxide electrons. Additional measurements carried out by the working group led by Prof. Heiko Wende at the Department of Physics at the University of Duisburg-Essen suggest that this reflects a magnetic arrangement in the chiral layers which is not observed in non-chiral oxide films with the same composition.

In order to follow up this hypothesis, the experimental set-up in Münster will be extended by having the possibility of measuring the spin polarization in electrons depending directly on their energy. Further measurements on chiral copper and cobalt oxide films will enable not only a clear differentiation to be made between both polarization mechanisms, but also chiral inorganic spin-selective catalyst materials to be designed specifically. + Udforsk yderligere

Chirality and chiral-induced spin selectivity