Een kleine hoeveelheid knijpen of strekken kan een grote boost geven aan de katalytische prestaties, volgens een nieuwe studie geleid door wetenschappers van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory.

De vondst, gepubliceerd op 18 mei in Natuurcommunicatie , richt zich op een industriële katalysator die bekend staat als ceriumoxide, of ceria, een sponsachtig materiaal dat veel wordt gebruikt in katalysatoren, zelfreinigende ovens en diverse groene energie toepassingen, zoals brandstofcellen en zonne-water splitters.

"Ceria slaat zuurstof op en geeft zuurstof af als dat nodig is, als een spons, " zei studie co-auteur Will Chueh, een assistent-professor materiaalwetenschappen en engineering aan Stanford en een faculteitswetenschapper bij SLAC. "We ontdekten dat het uitrekken en comprimeren van ceria met een paar procent de zuurstofopslagcapaciteit dramatisch verhoogt. Deze bevinding zet de conventionele wijsheid over oxidematerialen omver en zou kunnen leiden tot betere katalysatoren."

Katalysatoren

Ceria wordt al lang gebruikt in katalysatoren om luchtverontreinigende stoffen uit uitlaatsystemen van voertuigen te verwijderen.

"In je auto, ceria haalt zuurstof uit giftige stikstofoxide, het creëren van onschadelijk stikstofgas, " zei hoofdauteur van de studie Chirranjeevi Balaji Gopal, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan Stanford. "Ceria geeft dan de opgeslagen zuurstof vrij en gebruikt het om dodelijk koolmonoxide om te zetten in goedaardige kooldioxide."

Studies hebben aangetoond dat het knijpen en uitrekken van ceria veranderingen op nanoschaal veroorzaakt die het vermogen om zuurstof op te slaan beïnvloeden.

"De zuurstofopslagcapaciteit van ceria is van cruciaal belang voor de effectiviteit ervan als katalysator, " zei co-auteur van de studie Aleksandra Vojvodic, een voormalig stafwetenschapper bij SLAC nu aan de Universiteit van Pennsylvania, die het computationele aspect van dit werk leidde. "De theoretische verwachting op basis van eerdere studies is dat het uitrekken van ceria het vermogen om zuurstof op te slaan zou vergroten, terwijl comprimeren de opslagcapaciteit zou verlagen."

Om deze voorspelling te testen, het onderzoeksteam kweekte ultradunne films van ceria, elk slechts enkele nanometers dik, op ondergronden van verschillende materialen. Dit proces onderwierp de ceria aan een spanning gelijk aan 10, 000 keer de atmosfeer van de aarde. Deze enorme spanning zorgde ervoor dat de moleculen van ceria zich over een afstand van minder dan een nanometer van elkaar losmaakten en samenknijpen.

Verrassingsresultaten

Typisch, materialen zoals ceria verlichten stress door defecten in de film te vormen. Maar analyse op atomaire schaal onthulde een verrassing.

"Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie om de positie van individuele atomen op te lossen, we hebben aangetoond dat de films uitgerekt of samengedrukt blijven zonder dergelijke defecten te vormen, waardoor de stress in volle kracht blijft, " zei Robert Sinclair, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Stanford.

Om de impact van stress onder reële bedrijfsomstandigheden te meten, de onderzoekers analyseerden de ceria-monsters met behulp van de schitterende stralen röntgenlicht geproduceerd door de geavanceerde lichtbron van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De resultaten waren nog verrassender.

"We ontdekten dat de gespannen films een viervoudige toename van de zuurstofopslagcapaciteit van ceria vertoonden, "Zei Gopal. "Het maakt niet uit of je het uitrekt of comprimeert. Je krijgt een opmerkelijk vergelijkbare stijging."

De high-stress-techniek die door het onderzoeksteam wordt gebruikt, is gemakkelijk haalbaar door middel van nano-engineering, voegde Chueh toe.

"Deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor het nano-engineeren van oxidematerialen om de katalytische efficiëntie voor energieconversie en -opslag te verbeteren, " zei hij. "Het is belangrijk voor de ontwikkeling van vaste oxidebrandstofcellen en andere groene-energietechnologieën, inclusief nieuwe manieren om schone brandstoffen te maken van koolstofdioxide of water."