Krystalfaseteknik giver et glimt af fremtidigt potentiale, siger forskere

Atomarrangering ændrer et materiales fysiske og kemiske egenskaber, hvilket kan føre til potentielle anvendelser på tværs af discipliner, herunder inden for bæredygtig energi. Med to årtiers fokuseret opmærksomhed på, hvordan regulering af sådanne omarrangeringer - en proces kaldet faseteknik - kan muliggøre bæredygtige energiomdannelsesprocesser, har forskere i Kina opsummeret arbejdet indtil videre, herunder hvordan feltet kan udvikle sig.

De offentliggjorde deres anmeldelse den 11. juli i Nano Research , med et specifikt fokus på elektrokatalysatorer. Disse materialer udløser, forstærker eller løser de kemiske og elektriske reaktioner, der er involveret i at konvertere energi til lagrelige eller brugbare formater. De tjener ofte som en elektrode eller som en elektrodekomponent.

"Phase engineering er en vigtig strategi for at designe effektive elektrokatalysatorer mod disse energiomdannelser, fordi det gør det muligt for alle katalytisk aktive atomer at omarrangere og danne nye gitter," sagde den medkorsponerende forfatter Xiaoxin Zou, professor, State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry , College of Chemistry, Jilin University. "Dette giver en stor mulighed for rationelt at manipulere atomer for at opdage attraktive strukturelle rammer og for at opnå bedre elektrokatalyse. Og mens flere forskere i de senere år har opsummeret fremstillingen af ​​nanomaterialer med nye arrangementer, er dette den første systematiske gennemgang i retning af at rationalisere, hvordan disse faser påvirke den elektrokatalytiske aktivitet."

Disse forskellige atomarrangementer er kendt som krystalfaser. Ved at ændre, hvordan atomerne er arrangeret på overfladen af ​​et fast materiale, eller i dets bulk, kan drastisk ændre, hvad materialet kan gøre. Zou bemærkede dog, at overfladen i det væsentlige er en forlængelse af bulken og ikke kan eksistere uafhængigt, så deres forbindelse er nøglen til at udvikle ønskværdige og stabile elektrokatalysatorer.

"Den underliggende logik af fase engineering ligger i et intimt forhold mellem egenskaberne af overfladen og hovedparten af ​​en katalysator," sagde Zou. "Enginering af bulkfasen af ​​en katalysator, som direkte påvirker overfladen, er en kraftfuld strategi til at designe smarte katalysatorer både internt og eksternt."

Krystalstrukturen af ​​bulken bestemmer materialets elektroniske struktur, dets ledningsevne og i høj grad overfladelagets sammensætning. Forskellige bulkkrystalstrukturer har forskellige karakteristika og overfladeenergier, hvilket fører til forskellig morfologi og katalytisk aktive steder. Selv for katalysatorer, der oplever betydelig overfladebeskadigelse eller rekonstruktion under katalyseprocessen, siger Zou, at bulkens indledende krystalstruktur i høj grad påvirker rekonstitutionen og den endelige struktur af overfladen.

I løbet af de sidste 20 år har flere forskere undersøgt dette forhold, udforsket ukonventionelle elektrokatalytiske faser og hvordan man kan fremkalde sådanne transformationer. Drevet af efterspørgslen efter bæredygtige energiomdannelsesprocesser, såsom nitrogenfiksering og kuldioxidreduktion, avancerede forskere avancerede karakteriseringsteknikker såvel som teorien bag eksperimentelt arbejde.

"Disse ting gjorde det muligt præcist og præcist at forstå virkningerne af krystalfaser på elektrokatalytisk ydeevne," sagde Zou. "Så det er tid til at opsummere faseingeniørrelateret forskning, der hjælper med at opklare fase-ydelsesforhold og forfine forudsigelse i elektrokatalyseundersøgelser."

Dernæst anbefaler Zou og hans team, at forskere forfølger fire hovedområder for yderligere at fremme krystalfaseteknik til katalyseforskning.

"For at udvikle kompetente katalysatorer til forskellige energiomdannelsesprocesser fra et fasefokus foreslår vi at udforske forholdet mellem krystalfasen og katalytiske aktivitetsniveauer; kombinere faseteknik med andre designstrategier; optrevle dannelses- og udviklingsmekanismerne for ukonventionelle faser; og berige katalytisk forskning i flere flydende faser," sagde Zou. + Udforsk yderligere

Udforskning af, hvordan overflader ændrer sig i kontakt med reaktive gasfaser under forskellige forhold