Katalysatoroverflade analyseret ved atomopløsning

Fig. 1:OER-aktivitet af Co₂ FeO₄ og CoFe₂ O₄ nanopartikler. a, b Lineære sweep voltammetri (LSV)-kurver optaget ved en scanningshastighed på 10 mV/s i 1,0 M KOH på glasagtige carbonelektroder aflejret med Co₂ FeO₄ og CoFe₂ O₄ nanopartikler i uberørt tilstand og efter 100, 500 og 1000 cyklusser af cyklisk voltammetri (CV) målinger, c, d CV'er for Co₂ FeO₄ og CoFe₂ O₄ efter én, 100, 500 og 1000 cyklusser registreret ved en scanningshastighed på 50 mV/s i 1,0 M KOH under OER-forhold, e, f Tafel-skråninger af Co₂ FeO₄ og CoFe₂ O₄ i den uberørte og efter 100, 500 og 1000 cyklusser, afledt af LSV-kurverne i a, b. Kildedata leveres som en kildedatafil. Fejlstængerne for Tafel-skråninger i e, f blev målt ved lineær kurvetilpasning. Kredit:DOI:10.1038/s41467-021-27788-2

Forskere fra Ruhr-Universität Bochum, University of Duisburg-Essen og Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr samarbejdede om projektet som en del af Collaborative Research Center "Heterogen oxidationskatalyse i væskefasen."

På RUB arbejdede et team ledet af Weikai Xiang og professor Tong Li fra Atomic-scale Characterization sammen med formanden for elektrokemi og materialer i nanoskala og formanden for industriel kemi. Institutter i Shanghai, Kina og Didcot, Storbritannien, var også involveret. Holdet præsenterer deres resultater i tidsskriftet Nature Communications , offentliggjort online den 10. januar 2022.

Partikler observeret under katalyseprocessen

Forskerne undersøgte to forskellige typer nanopartikler lavet af koboltjernoxid, der var omkring ti nanometer. De analyserede partiklerne under katalysen af den såkaldte oxygenudviklingsreaktion. Dette er en halvreaktion, der opstår under vandspaltning til brintproduktion:brint kan opnås ved at spalte vand ved hjælp af elektrisk energi; der produceres brint og ilt i processen. Flaskehalsen i udviklingen af mere effektive produktionsprocesser er den delreaktion, hvor ilt dannes, altså iltudviklingsreaktionen. Denne reaktion ændrer katalysatoroverfladen, der bliver inaktiv over tid. De strukturelle og sammensætningsmæssige ændringer på overfladen spiller en afgørende rolle for elektrokatalysatorernes aktivitet og stabilitet.

For små nanopartikler med en størrelse omkring ti nanometer er det stadig en udfordring at opnå detaljerede oplysninger om, hvad der sker på katalysatoroverfladen under reaktionen. Ved hjælp af atomsondetomografi visualiserede gruppen med succes fordelingen af de forskellige typer atomer i koboltjernoxidkatalysatorerne i tre dimensioner. Ved at kombinere det med andre metoder viste de, hvordan strukturen og sammensætningen af overfladen ændrede sig under katalyseprocessen - og hvordan denne ændring påvirkede den katalytiske ydeevne.

"Atomsondetomografi har et enormt potentiale til at give atomær indsigt i sammensætningsændringerne på overfladen af katalysatornanopartikler under vigtige katalytiske reaktioner såsom oxygenudviklingsreaktion til brintproduktion eller CO₂ reduktion," afslutter Tong Li. + Udforsk yderligere

Katalytisk aktivitet af individuelle cobaltoxidnanopartikler bestemt

Sidste artikelVisualisering af intracellulære nanostrukturer af levende celler ved hjælp af nanoendoskopi-AFM

Næste artikelKemikere bruger DNA til at bygge verdens mindste antenne