Doorbraak: atomaire geheimen van katalysatoren onthuld met nieuwe revolutionaire technologie van Berkeley Lab

AmsterdamWetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben een nieuwe methode ontwikkeld om elektrochemische processen op atomair niveau te bestuderen. Deze techniek verduidelijkt hoe veelgebruikte katalysatoren werken. Ze introduceerden een apparaat genaamd de polymeer vloeistofcel (PLC), waarmee onderzoekers reacties kunnen bevriezen en op verschillende stadia kunnen observeren.

Elektrochemische reacties zijn essentieel voor:

• Batterijen
• Brandstofcellen
• Elektrolyse
• Zonne-energie voor brandstofproductie
• Biologische processen zoals fotosynthese

De PLC kan samen met de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) werken om reacties op atomair niveau duidelijk te observeren. Deze technologie zou verschillende elektrochemische toepassingen kunnen verbeteren.

Het team van het Berkeley Lab heeft hun methode getest op een koperen katalysator. Deze katalysatoren kunnen kooldioxide omzetten in chemicaliën zoals methanol, ethanol en aceton. Tijdens de tests ontdekten ze opmerkelijke veranderingen op het grensvlak tussen de vaste stof en de vloeistof.

Wetenschappers van het Berkeley Lab hebben met behulp van geavanceerde microscopen onderzocht hoe koperatomen zich vermengen met koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen uit een vloeibare oplossing. Ze ontdekten dat deze combinatie een laag vormt die noch volledig vast, noch vloeibaar is. Deze laag verdwijnt zodra de elektrische stroom stopt en de koperatomen keren terug naar hun oorspronkelijke plek.

Inzicht in deze onduidelijke middellaag kan helpen bij het ontwikkelen van betere katalysatoren en duurzamere systemen. Het begrijpen van hoe katalysatoren afbreken is cruciaal voor het doorvoeren van verbeteringen.

Lees ook:

Vandaag · 23:18

Olifantenzeehonden keren verbluffend terug na bijna uitsterving

Deze vloeistofcel stelt ons in staat om in real-time te zien wat er gebeurt op de grens tussen vast en vloeibaar tijdens reacties. We kunnen volgen hoe de atomen op het oppervlak van de katalysator bewegen en veranderen. Deze informatie is essentieel voor het ontwerpen van verbeterde katalysatoren," aldus Haimei Zheng, senior wetenschapper bij de Materials Science Division van het Berkeley Lab.

Aan het onderzoek namen wetenschappers deel zoals Zhigang Song van Harvard University, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang en Yu Huang.

Zhang legde uit dat het ontdekken van de amorfe interfase ons eerdere kennis verandert. Tijdens de reactie verandert de structuur van deze interfase, wat de prestaties beïnvloedt. Door deze veranderingen te bestuderen, kunnen we manieren vinden om de prestaties van katalysatoren te verbeteren.

Een nieuwe studie werd op 19 juni gepubliceerd in Nature. Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Office of Science. De Molecular Foundry, een faciliteit ondersteund door het DOE Office of Science, droeg bij aan dit werk.

Wetenschappers zijn enthousiast om deze technologie op andere materialen toe te passen. Ze onderzoeken nu problemen met lithium- en zinkbatterijen. De inzichten verkregen via de PLC-aangestuurde TEM kunnen veel elektrochemische technologieën aanzienlijk verbeteren.