Neue Technologie enthüllt atomare Geheimnisse von Katalysatoren: Durchbruch in der elektrochemischen Forschung

BerlinWissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory haben eine neue Methode entwickelt, um elektrochemische Prozesse auf atomarer Ebene zu untersuchen. Ihre Technik erklärt die Funktionsweise gängiger Katalysatoren. Sie haben ein Gerät namens Polymer-Liquid-Cell (PLC) eingeführt, das es Forschern ermöglicht, Reaktionen einzufrieren und sie in verschiedenen Phasen zu beobachten.

Elektrochemische Reaktionen sind unerlässlich für:

• Batterien
• Brennstoffzellen
• Elektrolyse
• Solarbetriebene Kraftstofferzeugung
• Biologische Prozesse wie Photosynthese

Der SPS kann in Kombination mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) atomare Reaktionen präzise sichtbar machen. Diese Technologie könnte die Effizienz verschiedener elektrochemischer Verfahren verbessern.

Das Team des Berkeley Lab testete ihre Methode an einem Kupferkatalysator. Kupferkatalysatoren können Kohlendioxid in Chemikalien wie Methanol, Ethanol und Aceton umwandeln. Die Tests zeigten überraschende Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit während der Reaktion.

Wissenschaftler am Berkeley Lab nutzten fortschrittliche Mikroskope, um zu untersuchen, wie sich Kupferatome mit Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen aus einer flüssigen Lösung bewegen und vermischen. Sie beobachteten, dass diese Mischung eine Schicht bildet, die weder vollständig fest noch flüssig ist. Diese Schicht verschwindet, wenn der elektrische Strom aufhört, und die Kupferatome kehren an ihre ursprüngliche Position zurück.

Ein tieferes Verständnis dieser undurchsichtigen mittleren Schicht kann zur Entwicklung effektiverer Katalysatoren und langlebigerer Systeme beitragen. Zu wissen, wie Katalysatoren zerfallen, ist entscheidend für Verbesserungen.

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Diese Flüssigkeitszelle ermöglicht es uns, in Echtzeit zu beobachten, was an der Grenze zwischen Feststoff und Flüssigkeit während chemischer Reaktionen passiert. Wir können verfolgen, wie sich die Atome auf der Oberfläche des Katalysators bewegen und verändern. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung effizienterer Katalysatoren", erklärte Haimei Zheng, eine leitende Wissenschaftlerin in der Abteilung für Materialwissenschaften am Berkeley Lab.

Qiubo Zhang, ein Postdoktorand in Zhengs Labor, erklärte: „Es ist entscheidend zu verstehen, warum ein Katalysator nicht mehr funktioniert, um ihn zu verbessern. Wir sind überzeugt, dass diese Technologie uns dabei helfen wird.“

An der Studie waren Wissenschaftler wie Zhigang Song von der Harvard University, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang und Yu Huang beteiligt.

Zhang erläuterte, dass die Entdeckung der amorphen Zwischenphase unser bisheriges Wissen verändert. Während die Reaktion abläuft, verändert sich die Struktur dieser Zwischenphase und beeinflusst die Leistung. Durch das Studium dieser Veränderungen können wir Methoden entwickeln, um die Katalysatorleistung zu verbessern.

Eine neue Studie wurde am 19. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Forschung wurde vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) finanziert. Das Molecular Foundry, eine vom DOE Office of Science unterstützte Einrichtung, trug zu dieser Arbeit bei.

Wissenschaftler sind begeistert, diese Technologie auch auf andere Materialien anzuwenden. Aktuell befassen sie sich mit Herausforderungen bei Lithium- und Zinkbatterien. Die Erkenntnisse aus dem PLC-unterstützten TEM könnten dazu beitragen, zahlreiche elektrochemische Technologien entscheidend zu verbessern.