Ny studie: Avslöjar katalysatorers atomära hemligheter med banbrytande teknik

StockholmForskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory har utvecklat en ny metod för att studera elektrokemiska processer på atomnivå. Deras tillvägagångssätt hjälper till att förklara hur vanliga katalysatorer fungerar. De introducerade en enhet kallad polymer liquid cell (PLC), som gör det möjligt för forskare att frysa reaktioner och observera dem i olika stadier.

Elektrokemiska reaktioner är avgörande för:

• Batterier
• Bränsleceller
• Elektrolys
• Solenergidriven bränsleproduktion
• Biologiska processer som fotosyntes

PLC kan användas tillsammans med elektronmikroskopi med transmission (TEM) för att tydligt observera reaktioner på atomnivå. Denna teknik kan bidra till att förbättra olika elektrokemiska teknologier.

Forskargruppen vid Berkeley Lab testade sin metod på en kopparkatalysator. Kopparkatalysatorer kan omvandla koldioxid till kemikalier som metanol, etanol och aceton. Testerna visade överraskande förändringar vid gränsen där det fasta och flytande möts under reaktionen.

Forskare vid Berkeley Lab använde avancerade mikroskop för att studera hur kopparatomer rör sig och blandas med kol-, väte- och syreatomer från en flytande lösning. De upptäckte att denna blandning bildar ett skikt som varken är helt fast eller flytande. Detta skikt försvinner när den elektriska strömmen avbryts, och kopparatomerna återgår till sin ursprungliga plats.

Att lära sig mer om detta oklara mellanskikt kan bidra till att utveckla bättre katalysatorer och mer hållbara system. Att förstå hur katalysatorer bryts ner är avgörande för att kunna göra förbättringar.

Läs också:

Idag · 21:19

Ny kraft i rörelse: framsteg med deep brain stimulation

Denna vätskecell tillåter oss att i realtid observera vad som sker vid gränsen mellan fast och flytande under reaktioner. Vi kan se hur atomerna på katalysatorns yta rör sig och förändras. Denna information är avgörande för att utforma effektivare katalysatorer,” sade Haimei Zheng, en seniorforskare vid Berkeley Labs avdelning för materialvetenskap.

Studien omfattade forskare som Zhigang Song från Harvard University, Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang och Yu Huang.

Zhang förklarade att upptäckten av den amorfa gränsytan förändrar vår tidigare förståelse. När reaktionen sker, ändras strukturen hos denna gränsyta och påverkar prestandan. Genom att studera dessa förändringar kan vi hitta sätt att förbättra katalysatorns effektivitet.

En ny studie publicerades den 19 juni i Nature. Forskningen finansierades av USA:s energidepartements vetenskapliga avdelning. Molecular Foundry, en anläggning som stöds av just denna avdelning, bidrog till arbetet.

Forskare är entusiastiska över att använda denna teknik för andra material. De undersöker nu problem med litium- och zinkbatterier. Informationen från den PLC-aktiverade TEM kan bidra till att förbättra många elektrokemiska teknologier avsevärt.