Nowe badanie: odkrywanie atomowych tajemnic katalizatorów dzięki przełomowej technologii badawczej

WarsawNaukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory opracowali nową metodę badania procesów elektrochemicznych na poziomie atomowym. Ich sposób pozwala wyjaśnić działanie powszechnych katalizatorów. Wprowadzili urządzenie o nazwie komórka polimerowa (PLC), które umożliwia naukowcom zatrzymywanie reakcji i obserwowanie ich na różnych etapach.

Reakcje elektrochemiczne odgrywają kluczową rolę w takich obszarach jak:

• baterie,
• ogniwa paliwowe,
• elektroliza,
• generowanie paliwa z energii słonecznej,
• procesy biologiczne, na przykład fotosynteza.

PLC może współpracować z transmisyjną mikroskopią elektronową (TEM), aby wyraźnie obserwować reakcje na poziomie atomowym. Ta technologia może przyczynić się do ulepszania różnych technologii elektrochemicznych.

Zespół z Berkeley Lab przetestował swoją metodę na katalizatorze miedzianym. Katalizatory miedziane mogą przekształcać dwutlenek węgla w substancje chemiczne takie jak metanol, etanol i aceton. Testy wykazały zaskakujące zmiany w miejscu, gdzie stykają się substancja stała i ciecz podczas reakcji.

Naukowcy z Berkeley Lab wykorzystali zaawansowane mikroskopy do badania ruchu atomów miedzi oraz ich interakcji z atomami węgla, wodoru i tlenu z roztworu. Zaobserwowali, że ta mieszanina tworzy warstwę, która nie jest ani całkowicie stała, ani płynna. Warstwa ta zanika, gdy prąd elektryczny jest wstrzymany, a atomy miedzi wracają na swoje pierwotne miejsca.

Poznanie niezrozumiałej warstwy środkowej może przyczynić się do tworzenia lepszych katalizatorów i bardziej trwałych systemów. Ważne jest zrozumienie, jak następuje rozpad katalizatorów, aby wprowadzać ulepszenia.

Zobacz również:

Dzisiaj · 19:21

Nowatorskie rozwiązanie wspierające planowanie przyszłości rzeki Kolorado

To komórka cieczy umożliwia nam obserwację w czasie rzeczywistym, co dzieje się na granicy między ciałem stałym a cieczą podczas reakcji. Możemy śledzić, jak atomy na powierzchni katalizatora poruszają się i zmieniają. Te informacje są kluczowe dla projektowania lepszych katalizatorów" - powiedziała Haimei Zheng, starsza naukowiec z Działu Nauki o Materiałach w Laboratorium Berkeley.

Qiubo Zhang, badacz podoktorancki w laboratorium Zheng, powiedział: „Kluczowe znaczenie ma zrozumienie, dlaczego katalizator przestaje działać, aby móc go udoskonalić. Wierzymy, że ta technologia pomoże nam go poprawić.”

W badaniu uczestniczyli naukowcy: Zhigang Song z Uniwersytetu Harvarda, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang oraz Yu Huang.

Zhang wyjaśnił, że odkrycie amorficznej fazy przejściowej zmienia dotychczasową wiedzę. Podczas reakcji struktura tej fazy ulega zmianom, co wpływa na wydajność. Analizując te zmiany, możemy opracować sposoby na poprawę wydajności katalizatorów.

Nowe badanie opublikowano 19 czerwca w czasopiśmie Nature. Badania zostały sfinansowane przez Biuro Nauki Departamentu Energii USA (DOE). Do pracy przyczyniła się również Molecular Foundry, placówka wspierana przez Biuro Nauki DOE.

Naukowcy są entuzjastycznie nastawieni do wykorzystania tej technologii w odniesieniu do innych materiałów. Obecnie badają problemy związane z akumulatorami litowymi i cynkowymi. Informacje uzyskane dzięki elektronowemu mikroskopowi transmisyjnemu wyposażonemu w PLC mogą przyczynić się do znacznej poprawy wielu technologii elektrochemicznych.